Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Физиканың тарихи дамуы
Historical development of physics
Физика – материя мен энергияны зерттейтін ғылым саласы. Физиканың жаңалықтары табиғаттану ғылымдарының барлығында және технологияларда қолданыс табады. Тарихи тұрғыдан алғанда, физика 17 ғасырдағы ғылыми төңкерістен бастау алып, 19 ғасырда қарқынды дамыды, ал 20 ғасырдағы бірқатар жаңалықтар оны өзгертіп қайта құрды. Қазіргі физиканы шартты түрде классикалық физика мен қазіргі физикаға бөлуге болады. Физика тарихының жоспарында нақты тақырыптар бойынша көптеген толыққанды мақалалар бар.
Physics is a branch of science whose primary objects of study are matter and energy. Discoveries of physics find applications throughout the natural sciences and in technology. Historically, physics emerged from the scientific revolution of the 17th century, grew rapidly in the 19th century, then was transformed by a series of discoveries in the 20th century. Physics today may be divided loosely into classical physics and modern physics. Many detailed articles on specific topics are available through the Outline of the history of physics.
Ежелгі тарих
Физиканың қалыптасу элементтері негізінен астрономия, оптика және механика салаларынан алынған, олар геометрияны зерттеу арқылы әдістемелік тұрғыдан біріктірілді. Бұл математикалық ғылымдар ежелгі Вавилонмен және Архимед пен Птолемей сияқты грек жазушыларымен басталды. Ал ежелгі философияның ішінде "физика" деп аталатын сала бар болған.
Elements of what became physics were drawn primarily from the fields of astronomy, optics, and mechanics, which were methodologically united through the study of geometry. These mathematical disciplines began in antiquity with the Babylonians and with Hellenistic writers such as Archimedes and Ptolemy. Ancient philosophy, meanwhile, included what was called "Physics".
Грек ұғымы
Табиғатты ұтымды түсінуге бағытталған қадам Грекиядағы Архаикалық кезеңнен бастап (б.з.д. 650-480 жж.) Пресократ философтарымен қадам салды. Философ Милеттің Талесі (б.з.д. 7-ші және 6-шы ғасырлар), табиғат құбылыстарына қатысты түрлі табиғаттан тыс, діни немесе мифологиялық түсіндірмелерді қабылдамағаны үшін «Ғылымның әкесі» деп аталды, және әрбір оқиғаның табиғи себебі бар екенін жариялады. Талес б.з.д. 580 жылы судың негізгі элемент екенін айтып, магниттер мен ысқыланған таразы арасындағы тартылыспен тәжірибе жүргізіп, алғашқы жазылған космологияларды жасады. Протоэволюциялық теориясымен танымал Анаксимандр Талес идеяларына қарсы шығып, судың орнына апейрон деп аталатын заттың барлық материяның құрылыс блогы екенін ұсынды. Шамамен б.з.д. 500 жылы Гераклит Әлемді басқаратын жалғыз негізгі заң – өзгеру принципі екенін және ештеңе де бір күйде мәңгілік қала бермейтінін айтты. Замандасы Парменидпен бірге, ол ежелгі физикадағы алғашқы ғалымдардың бірі болып, ғаламдағы уақыттың рөлін зерделеді, бұл негізгі ұғым қазіргі физикада да маңызды мәселе болып табылады. Грекиядағы классикалық кезеңде (б.з.д. 6, 5 және 4 ғасырлар) және эллинистік дәуірде табиғи философия баяу-баяу қызықты және даулы зерттеу саласына айналды. Платонның шәкірті Аристотель (б.з.д. 384–322) физикалық құбылыстарды бақылаудың оларды басқаратын табиғи заңдарды ашуға әкелуі мүмкін екенін алға тартты. Аристотельдің еңбектері физика, метафизика, поэзия, театр, музыка, логика, риторика, лингвистика, саясат, үкімет, этика, биология және зоологияны қамтиды. Ол осы саланы «Физика» деп атаған алғашқы еңбек жазды. Б.з.д. 4 ғасырда Аристотель Аристотельдік физика деп белгілі жүйені құрды. Ол қозғалыс (және гравитация) сияқты идеяларды төрт элемент теориясымен түсіндіруге тырысты. Аристотель барлық материя төрт элементтен – жер, су, ауа және оттан тұрады деп сенді. Аристотельдің айтуынша, осы төрт жер элементі бір-біріне өзгеруге қабілетті және өздерінің табиғи орнына қарай қозғалады, сондықтан тастар ғаламның ортасына қарай төмен түседі, ал жалын шеңберге қарай жоғары көтеріледі. Ақырында, Аристотельдік физика Еуропада көп ғасырлар бойы өте танымал болды, Орта ғасырлардағы ғылыми және схоластикалық дамуға бағыт берді. Бұл теория Галилео Галилей мен Исаак Ньютонның заманына дейін Еуропадағы басты ғылыми парадигма болып қала берді. Ертедегі классикалық Грецияда Жердің шар тәрізді («дөңгелек») екендігі туралы білім кең тараған. Б.з.д. 240 жылы, маңызды эксперименттің нәтижесінде Эратосфен (б.з.д. 276–194) оның айналасын дәл бағалады. Аристотельдің геоцентрикалық көзқарастарына қарамастан, Самостық Аристарх (Ἀρίσταρχος; шамамен б.з.д. 310–230) Күн жүйесінің гелиоцентрикалық моделі үшін, яғни Жерді емес, Күнді ортасына орналастыру үшін нақты аргумент келтірді. Аристархтың гелиоцентрикалық теориясының ізбасары Селевкиялық Селевк Жердің өз осімен айналып, ол өз кезегінде Күннің айналасында айналады деп мәлімдеді. Ол қолданған аргументтер жоғалып кеткенімен, Плутарх Селевк гелиоцентрикалық жүйені тұңғыш рет дәлелдегенін айтты. Б.з.д. 3 ғасырда грек математигі Сиракуздық Архимед (287–212 б.з.д.) – жалпы алғанда, ежелгі дәуірдің ең ұлы математигі және барлық уақыттағы ең ұлылардың бірі – гидростатиканың, статиканың негізін қалады және рычагтың негізгі математикасын есептеді. Архимед классикалық антикалық дәуірдің жетекші ғалымы, үлкен заттарды ең аз күш-жігермен жылжыту үшін күрделі шкивтер жүйесін де әзірледі. Архимед бұрандасы қазіргі заманғы гидроинженерлік техниканың негізі болып табылады, ал оның соғыс машиналары Бірінші Пуникалық соғыста Рим әскерлерін ұстап қалуға көмектесті. Архимед тіпті Аристотельдің және оның метафизикасының дәлелдерін жоққа шығарды, математика мен табиғатты бөліп алу мүмкін емес екенін атап өтті және математикалық теорияларды практикалық өнертабыстарға айналдыру арқылы дәлелдеді. Бұдан басқа, шамамен б.з.д. 250 жылы «Жүзу туралы денелер» еңбегінде Архимед жүзу заңын, сондай-ақ Архимед принципін жасады. Математикада Архимед шексіз қатарлардың қосындысымен парабола доғасы астындағы аумақты есептеу үшін тозу әдісін қолданды және пи шамасын айтарлықтай дәл бағалады. Сонымен қатар, ол өз атын алған спиральді анықтады, айналым беттерінің көлемін анықтаған формулалар және өте үлкен сандарды білдірудің тапқыр жүйесін жасады. Ол сонымен қатар тепе-теңдік күйлері мен ауырлық орталығының принциптерін дамытты, бұл идеялар Галилей және Ньютон сияқты болашақ ғалымдарға әсер етті. Астрономия мен математикаға ден қойған Гиппарх (б.з.д. 190–120) жұлдыздар мен планеталардың қозғалысын картаға түсіру үшін күрделі геометриялық әдістерді қолданды, тіпті күн тұтылуының уақытын болжады. Ол Күн мен Айдың Жерден арақашықтығын есептеді, бұл үшін ол сол кезде қолданылған бақылау құралдарын жақсартты. Ертедегі физиктердің тағы бірі – Рим империясы кезеңіндегі жетекші ойшылдардың бірі Птолемей (90–168 ж.с.) болды. Птолемей бірнеше ғылыми трактаттардың авторы, олардың кем дегенде үшеуі кейінгі ислам және еуропалық ғылым үшін маңызды болды. Біріншісі – қазіргі уақытта «Альмагест» деп белгілі астрономиялық трактат (грек тілінде Ἡ Μεγάλη Σύνταξις, «Ұлы трактат», бастапқыда Μαθηματικὴ Σύνταξις, «Математикалық трактат»). Екіншісі – грек-рим әлемінің географиялық білімін толыққанды талқылайтын «География». Ежелгі әлемнің жинақталған білімінің көп бөлігі жоғалып кетті. Көптеген құрметті ойшылдардың еңбектерінен де аздаған үзінділер ғана сақталды. Ол кем дегенде он төрт кітап жазғанымен, Гиппархтың тікелей еңбектерінің көбі жоғалып кетті. 150-ге жуық Аристотельдік еңбектердің арасында тек 30-ы ғана бар, және олардың кейбіреулері «лекция жазбаларынан аспайды».
The move towards a rational understanding of nature began at least since the Archaic period in Greece (650–480 BCE) with the Pre Socratic philosophers. The philosopher Thales of Miletus (7th and 6th centuries BCE), dubbed "the Father of Science" for refusing to accept various supernatural, religious or mythological explanations for natural phenomena, proclaimed that every event had a natural cause. Thales also made advancements in 580 BCE by suggesting that water is the basic element, experimenting with the attraction between magnets and rubbed amber and formulating the first recorded cosmologies. Anaximander, famous for his proto evolutionary theory, disputed Thales' ideas and proposed that rather than water, a substance called apeiron was the building block of all matter. Around 500 BCE, Heraclitus proposed that the only basic law governing the Universe was the principle of change and that nothing remains in the same state indefinitely. Along with his contemporary Parmenides were among the first scholars in ancient physics to contemplate on the role of time in the universe, a key concept that is still an issue in modern physics. During the classical period in Greece (6th, 5th and 4th centuries BCE) and in Hellenistic times, natural philosophy slowly developed into an exciting and contentious field of study. Aristotle (Ἀριστοτέλης, Aristotélēs) (384–322 BCE), a student of Plato, promoted the concept that observation of physical phenomena could ultimately lead to the discovery of the natural laws governing them. Aristotle's writings cover physics, metaphysics, poetry, theater, music, logic, rhetoric, linguistics, politics, government, ethics, biology and zoology. He wrote the first work which refers to that line of study as "Physics" – in the 4th century BCE, Aristotle founded the system known as Aristotelian physics. He attempted to explain ideas such as motion (and gravity) with the theory of four elements. Aristotle believed that all matter was made up of aether, or some combination of four elements: earth, water, air, and fire. According to Aristotle, these four terrestrial elements are capable of inter transformation and move toward their natural place, so a stone falls downward toward the center of the cosmos, but flames rise upward toward the circumference. Eventually, Aristotelian physics became enormously popular for many centuries in Europe, informing the scientific and scholastic developments of the Middle Ages. It remained the mainstream scientific paradigm in Europe until the time of Galileo Galilei and Isaac Newton. Early in Classical Greece, knowledge that the Earth is spherical ("round") was common. Around 240 BCE, as the result of a seminal experiment, Eratosthenes (276–194 BCE) accurately estimated its circumference. In contrast to Aristotle's geocentric views, Aristarchus of Samos (Ἀρίσταρχος; c. 310 – c. 230 BCE) presented an explicit argument for a heliocentric model of the Solar System, i. e. for placing the Sun, not the Earth, at its centre. Seleucus of Seleucia, a follower of Aristarchus' heliocentric theory, stated that the Earth rotated around its own axis, which, in turn, revolved around the Sun. Though the arguments he used were lost, Plutarch stated that Seleucus was the first to prove the heliocentric system through reasoning. In the 3rd century BCE, the Greek mathematician Archimedes of Syracuse ([[wikt:Ἀρχιμήδης (287–212 BCE) – generally considered to be the greatest mathematician of antiquity and one of the greatest of all time – laid the foundations of hydrostatics, statics and calculated the underlying mathematics of the lever. A leading scientist of classical antiquity, Archimedes also developed elaborate systems of pulleys to move large objects with a minimum of effort. The Archimedes' screw underpins modern hydroengineering, and his machines of war helped to hold back the armies of Rome in the First Punic War. Archimedes even tore apart the arguments of Aristotle and his metaphysics, pointing out that it was impossible to separate mathematics and nature and proved it by converting mathematical theories into practical inventions. Furthermore, in his work On Floating Bodies, around 250 BCE, Archimedes developed the law of buoyancy, also known as Archimedes' principle. In mathematics, Archimedes used the method of exhaustion to calculate the area under the arc of a parabola with the summation of an infinite series, and gave a remarkably accurate approximation of pi. He also defined the spiral bearing his name, formulae for the volumes of surfaces of revolution and an ingenious system for expressing very large numbers. He also developed the principles of equilibrium states and centers of gravity, ideas that would influence future scholars like Galileo, and Newton. Hipparchus (190–120 BCE), focusing on astronomy and mathematics, used sophisticated geometrical techniques to map the motion of the stars and planets, even predicting the times that Solar eclipses would happen. He added calculations of the distance of the Sun and Moon from the Earth, based upon his improvements to the observational instruments used at that time. Another of the most famous of the early physicists was Ptolemy (90–168 CE), one of the leading minds during the time of the Roman Empire. Ptolemy was the author of several scientific treatises, at least three of which were of continuing importance to later Islamic and European science. The first is the astronomical treatise now known as the Almagest (in Greek, Ἡ Μεγάλη Σύνταξις, "The Great Treatise", originally Μαθηματικὴ Σύνταξις, "Mathematical Treatise"). The second is the Geography, which is a thorough discussion of the geographic knowledge of the Greco Roman world. Much of the accumulated knowledge of the ancient world was lost. Even of the works of the many respectable thinkers, few fragments survived. Although he wrote at least fourteen books, almost nothing of Hipparchus' direct work survived. Of the 150 reputed Aristotelian works, only 30 exist, and some of those are "little more than lecture notes".
Үндістан мен Қытай
Физикалық және математикалық дәстүрлер ежелгі қытай және үнді ғылымдарында да болған. Үнді философиясында Махариши Канада б.з.д. 200 жылдар шамасында атомдық теорияны жүйелі түрде тұңғыш рет дамытты, бірақ кейбір авторлар оған б.з.д. VI ғасырды да жатқызады. Бұл теорияны біздің заманымыздың 1-мыңжылдығында буддалық атомшылар Дхармакирти мен Дигнага одан әрі жетілдірді. Б.з.д. VI ғасырдағы үндістандық философ, Гаутама Будданың замандасы Пакудха Каччаяна да материялық әлемнің атомдық құрамы туралы идеялар ұсынған. Бұл философтар басқа элементтердің (эфирден басқа) физикалық сезімтал және демек, материяның ұсақ бөлшектерінен тұрады деп сенді. Материяның одан әрі бөлінбейтін соңғы ұсақ бөлшегі Парману деп аталды. Бұл философтар атомды жойылмас, сондықтан мәңгілік деп есептеді. Буддистер атомдарды қалың көзге көрінбейтін, бір сәтте пайда болып, бір сәтте жоғалып кететін ұсақ нысандар деп ойлады. Вайшешика мектебінің философтары атомды кеңістіктегі бір ғана нүкте деп санады. Олар сондай-ақ қозғалыс пен күш арасындағы байланысты алғаш рет көрсетті. Атом туралы үнді теориялары өте абстрактілі және философиямен байланысты, себебі олар жеке тәжірибеге немесе эксперименттерге емес, логикаға негізделген. Үнді астрономиясында Ариабхатаның «Ариабхатия» (499 ж.) Жердің айналысын ұсынды, ал Керала астрономия және математика мектебінің Нилаканта Сомаяджи (1444–1544) Тихоникалық жүйеге ұқсас жартылай гелиоцентрлік модель ұсынды. Магнетизмді зерттеу ежелгі Қытайда б.з.д. IV ғасырға дейін жетеді ( «Шайтан аңғарының шебері» кітабында). Осы салаға үлкен үлес қосқан Шен Куо (1031–1095) – навигация үшін қолданылатын магниттік ине компасын алғаш рет сипаттаған және нақты солтүстік туралы ұғымды қалыптастырған көп салалы ғалым және мемлекет қайраткері. Оптикада Шен Куо өздігінен камера обскураны жасады.
Important physical and mathematical traditions also existed in ancient Chinese and Indian sciences. In Indian philosophy, Maharishi Kanada was the first to systematically develop a theory of atomism around 200 BCE though some authors have allotted him an earlier era in the 6th century BCE. It was further elaborated by the Buddhist atomists Dharmakirti and Dignāga during the 1st millennium CE. Pakudha Kaccayana, a 6th century BCE Indian philosopher and contemporary of Gautama Buddha, had also propounded ideas about the atomic constitution of the material world. These philosophers believed that other elements (except ether) were physically palpable and hence comprised minuscule particles of matter. The last minuscule particle of matter that could not be subdivided further was termed Parmanu. These philosophers considered the atom to be indestructible and hence eternal. The Buddhists thought atoms to be minute objects unable to be seen to the naked eye that come into being and vanish in an instant. The Vaisheshika school of philosophers believed that an atom was a mere point in space. It was also first to depict relations between motion and force applied. Indian theories about the atom are greatly abstract and enmeshed in philosophy as they were based on logic and not on personal experience or experimentation. In Indian astronomy, Aryabhata's Aryabhatiya (499 CE) proposed the Earth's rotation, while Nilakantha Somayaji (1444–1544) of the Kerala school of astronomy and mathematics proposed a semi heliocentric model resembling the Tychonic system. The study of magnetism in Ancient China dates back to the 4th century BCE. (in the Book of the Devil Valley Master), A main contributor to this field was Shen Kuo (1031–1095), a polymath and statesman who was the first to describe the magnetic needle compass used for navigation, as well as establishing the concept of true north. In optics, Shen Kuo independently developed a camera obscura.
Ислам әлемі
VII-XV ғасырларда мұсылман әлемінде ғылыми жетістіктер болды. Аристотельдің еңбектерімен қатар, үнді, ассириялық, сасани (парсы) және грек тілдеріндегі көптеген классикалық шығармалар араб тіліне аударылды. Қазіргі заманғы оптиканың негізін қалаушы саналатын араб ғалымы Ибн әл-Хайтам (965–1040) маңызды үлес қосты. Птолемей мен Аристотель жарықтың көзден шығып, заттарды жарықтандыратынын немесе "формалардың" өзінен заттардан шығатынын айтса, ал әл-Хайтам (латынша "Альхазен" деп белгілі) жарықтың көзге заттың әртүрлі нүктелерінен сәулелер түрінде келетінін ұсынды. Ибн әл-Хайтам мен парсы ғалымы әл-Бирунидің (973–1050) еңбектері ақырында Батыс Еуропаға жетіп, Роджер Бэкон мен Вителло сияқты ғалымдар тарапынан зерттелді. Ибн әл-Хайтам оптика саласындағы жұмыстарында бақыланатын тәжірибелерді қолданды, бірақ оның Птолемейден қаншалықты ерекшеленетіні күмәндануда. Араб механикасы, Бируни мен Әл-Хазини сияқты ғалымдар, күрделі "салмақ ғылымын" дамытып, нақты салмақтар мен көлемдерді өлшеді.
In the 7th to 15th centuries, scientific progress occurred in the Muslim world. Many classic works in Indian, Assyrian, Sassanian (Persian) and Greek, including the works of Aristotle, were translated into Arabic. Important contributions were made by Ibn al Haytham (965–1040), an Arab scientist, considered to be a founder of modern optics. Ptolemy and Aristotle theorised that light either shone from the eye to illuminate objects or that "forms" emanated from objects themselves, whereas al Haytham (known by the Latin name "Alhazen") suggested that light travels to the eye in rays from different points on an object. The works of Ibn al Haytham and al Biruni (973–1050), a Persian scientist, eventually passed on to Western Europe where they were studied by scholars such as Roger Bacon and Vitello. Ibn al Haytham used controlled experiments in his work on optics, although to what extent it differed from Ptolemy is up to debate. Arabic mechanics like Bīrūnī and Al Khazini developed sophisticated "science of weight", carrying out measurements of specific weights and volumes
Ибн Сина (980–1037), "Авиценна" деп танылған, Бухарадан (қазіргі Өзбекстан) шыққан және физика, оптика, философия мен медицинаға маңызды үлес қосқан полимат болды. Ол 1020 жылы жарық көрген "Шипагерлік кітабында" қозғалыс теориясын жариялап, оқ атушының оққа серпіліс күшін беретінін дәлелдеді. Ол бұл күштің тұрақты екенін, оны тарату үшін ауа кедергісі сияқты сыртқы күштер қажет екенін айтты. Ибн Сина "күш" пен "майығу" ( "майл" деп аталады) арасындағы айырмашылықты көрсетіп, дененің табиғи қозғалысына қарсы болған кезде ол майығу алатынын мәлімдеді. Ол қозғалыстың жалғасуы дененің алған майығуына байланысты екенін, ал дененің майығуы толық жұмсалғанға дейін қозғалыста болатынын қорытындылады. Бұл қозғалыс тұжырымы Ньютонның бірінші қозғалыс заңымен сәйкес келеді, ол сыртқы күш әсер етпесе, дененің қозғалыста қалатынын айтады. Хибат Алла Абу'л Баракат әл Багдади (шамамен 1080–1165 жж.) Ибн Синаның снарядтардың қозғалысы туралы теориясын қабылдап, өзгертті. Әбул Баракат өзінің "Китаб әл Мутабар" кітабында қозғалтқыштың қозғалған дененің күшті майығуға (майл қасри) ие ететінін, ал бұл майығу қозғалған дененің қозғалтқыштан алыстаған сайын азаятынын мәлімдеді. Ол сондай-ақ дененің құлауының үдеуін күштің үнемі жиналуымен, жылдамдықтың үнемі өсуімен түсіндірді. Шломо Пайнстың сөзіне сәйкес, әл-Багдадидің қозғалыс теориясы "Аристотельдің негізгі динамикалық заңын [яғни, тұрақты күш біркелкі қозғалыс туғызады] ең алғаш жоққа шығарған, [сондай-ақ] классикалық механиканың негізгі заңын [яғни, күш үнемі қолданылып, үдеу туғызады] алдын ала тұжырымдаған". Жан Бурдан мен Саксониялық Альберт кейіннен Абу'л Баракатқа сілтеме жасап, құлайтын дененің үдеуі оның күшеюінің нәтижесі екенін түсіндірді. Бағдадта қайтыс болған парсы астрономы және математигі Насир әл-Дин әл-Түси (1201–1274) Туси жұптарын енгізді. Коперник кейіннен әл-Дин әл-Түси мен оның шәкірттерінің еңбектеріне көп сүйенді, бірақ оны мойындамады.
Ibn Sīnā (980–1037), known as "Avicenna", was a polymath from Bukhara (in present day Uzbekistan) responsible for important contributions to physics, optics, philosophy and medicine. He published his theory of motion in Book of Healing (1020), where he argued that an impetus is imparted to a projectile by the thrower. He viewed it as persistent, requiring external forces such as air resistance to dissipate it. Ibn Sina made a distinction between 'force' and 'inclination' (called "mayl"), and argued that an object gained mayl when the object is in opposition to its natural motion. He concluded that continuation of motion is attributed to the inclination that is transferred to the object, and that object will be in motion until the mayl is spent. This conception of motion is consistent with Newton's first law of motion, inertia, which states that an object in motion will stay in motion unless it is acted on by an external force. Hibat Allah Abu'l Barakat al Baghdaadi (c. 1080– c. 1165) adopted and modified Ibn Sina's theory on projectile motion. In his Kitab al Mu'tabar, Abu'l Barakat stated that the mover imparts a violent inclination (mayl qasri) on the moved and that this diminishes as the moving object distances itself from the mover. He also proposed an explanation of the acceleration of falling bodies by the accumulation of successive increments of power with successive increments of velocity. According to Shlomo Pines, al Baghdaadi's theory of motion was "the oldest negation of Aristotle's fundamental dynamic law [namely, that a constant force produces a uniform motion], [and is thus an] anticipation in a vague fashion of the fundamental law of classical mechanics [namely, that a force applied continuously produces acceleration]." Jean Buridan and Albert of Saxony later referred to Abu'l Barakat in explaining that the acceleration of a falling body is a result of its increasing impetus. Nasir al Din al Tusi (1201–1274), a Persian astronomer and mathematician who died in Baghdad introduced the Tusi couple. Copernicus later drew heavily on the work of al Din al Tusi and his students, but without acknowledgment.
Орта ғасырлардағы Еуропа
Батысқа ежелгі еңбектер туралы білім араб тілінен латын тіліне жасалған аудармалар арқылы қайта келді. Олардың қайта енгізілуі, еврей-ислам теологиялық түсіндірмелерімен бірге, Томас Аквин сияқты ортағасырлық философтарға зор әсер етті. Ежелгі классикалық философтардың философиясын христиан теологиясымен келістіруге тырысқан еуропалық схоластика ғалымдары Аристотельді ежелгі әлемнің ең ұлы ойшылы деп жариялады. Олардың пікірінше, егер ол Киелі кітапқа тікелей қайшы келмесе, Аристотельдің физикасы Еуропалық шіркеулердің физикалық түсіндірмелерінің негізіне айналды. Сандық өлшемдер ортағасырлық физиканың маңызды бөлігіне айналды. Аристотельдің физикасына негізделген схоластикалық физика заттарды олардың мәнді сипаттамаларына сәйкес қозғалатын нәрселер ретінде сипаттады. Аспан денелері шеңбер бойымен қозғалатыны айтылды, себебі мінсіз шеңберлік қозғалыс аспан сфераларының бұзылмаған аймағындағы заттардың туа біткен қасиеті саналды. Инерция және импульс тұжырымдамаларының алдағысы – импульс теориясы, Джон Филопон және Жан Бурдан сияқты ортағасырлық философтар тарапынан ұқсас бағытта дамытылды. Ай орбитасының астындағы қозғалыстар мінсіз емес деп есептелді, сондықтан тұрақты қозғалыс күтілмеді. "Ай асты" аймағындағы идеалды қозғалысқа тек жасанды жолдармен ғана қол жеткізуге болады, ал 17 ғасырға дейін көптеген адамдар жасанды тәжірибелерді табиғатты зерттеудің дұрыс тәсілі деп санамады. Ай астындағы әлемдегі физикалық түсіндірмелер тенденцияларға негізделді. Тастарда жер элементі бар, ал жер бетіндегі заттар, егер оған кедері келтірмесе, жердің орталығына (және Аристотельдің геоцентрлік көзқарасында ғаламға) тікелей сызықпен қозғалуға бейім.
Awareness of ancient works re entered the West through translations from Arabic to Latin. Their re introduction, combined with Judeo Islamic theological commentaries, had a great influence on Medieval philosophers such as Thomas Aquinas. Scholastic European scholars, who sought to reconcile the philosophy of the ancient classical philosophers with Christian theology, proclaimed Aristotle the greatest thinker of the ancient world. In cases where they didn't directly contradict the Bible, Aristotelian physics became the foundation for the physical explanations of the European Churches. Quantification became a core element of medieval physics. Based on Aristotelian physics, Scholastic physics described things as moving according to their essential nature. Celestial objects were described as moving in circles, because perfect circular motion was considered an innate property of objects that existed in the uncorrupted realm of the celestial spheres. The theory of impetus, the ancestor to the concepts of inertia and momentum, was developed along similar lines by medieval philosophers such as John Philoponus and Jean Buridan. Motions below the lunar sphere were seen as imperfect, and thus could not be expected to exhibit consistent motion. More idealized motion in the "sublunary" realm could only be achieved through artifice, and prior to the 17th century, many did not view artificial experiments as a valid means of learning about the natural world. Physical explanations in the sublunary realm revolved around tendencies. Stones contained the element earth, and earthly objects tended to move in a straight line toward the centre of the earth (and the universe in the Aristotelian geocentric view) unless otherwise prevented from doing so.
Ғылыми революция
XVI-XVII ғасырларда Еуропада «Ғылыми революция» деп аталатын маңызды ғылыми прогресс орын алды. Ескі философиялық көзқарастарға наразылық бұрын басталып, протестанттық реформация сияқты қоғамдағы басқа да өзгерістерге әкелді, бірақ ғылымдағы революция табиғат зерттеушілері (философтар) схоластикалық философиялық бағдарламаға қарсы тұрақты күрес бастағанда басталды. Олар механика және астрономия сияқты салалардан алынған математикалық сипаттау жүйелері қозғалыс және басқа да ұғымдарды жалпыға ортақ, нақты сипаттауға қабілетті деп санады.
During the 16th and 17th centuries, a large advancement of scientific progress known as the Scientific Revolution took place in Europe. Dissatisfaction with older philosophical approaches had begun earlier and had produced other changes in society, such as the Protestant Reformation, but the revolution in science began when natural philosophers began to mount a sustained attack on the Scholastic philosophical programme and supposed that mathematical descriptive schemes adopted from such fields as mechanics and astronomy could actually yield universally valid characterizations of motion and other concepts.
Николай Коперник
Астрономия саласындағы маңызды жаңалықты поляк астрономы Николай Коперник (1473–1543) 1543 жылы жасады, ол Күн жүйесінің гелиоцентрлік моделі үшін нақты аргументтер келтірді. Бұл, планеталардың қозғалысын көрсететін кестелерді дәлдеу және оларды жасауды жеңілдету мақсатымен жасалған болатын. Күн жүйесінің гелиоцентрлік модельдерінде Жер, Жер галактикасындағы басқа денелермен бірге Күнді айналып жүреді. Бұл грек-египеттік астроном Птолемейдің (б.з. 2-ғасыры; жоғарыда қараңыз) пікіріне қайшы келді, өйткені оның жүйесінде Жер Ғайынаттың орталығында орналасқан және бұл жүйе 1400 жылдан астам уақыт бойы қабылданған. Грек астрономы Аристорх Самостық (шамамен б.з.д. 310 – шамамен б.з.д. 230) Жер Күнді айналады деген болжам жасаған, бірақ Коперниктің логикалық тұжырымы осы "революциялық" идеяның кеңінен қабылдануына әкелді. Коперниктің теорияны ұсынған кітабы ("Аспан денелерінің айналысы туралы", De revolutionibus orbium coelestium) 1543 жылы, өмірінің соңында жарық көрді. Қазіргі заманғы астрономияның басталуы деп есептелетін бұл кітап, сонымен қатар ғылыми революцияның басталуының белгісі де саналады. Коперниктің жаңа көзқарасы, және Тихо Браге жасаған дәл бақылаулар, неміс астрономы Иоганн Кеплерге (1571–1630) планеталардың қозғалысы туралы заңдарды жасауға мүмкіндік берді, бұл заңдар бүгінгі күнге дейін қолданылып келеді.
A breakthrough in astronomy was made by Polish astronomer Nicolaus Copernicus (1473–1543) when, in 1543, he gave strong arguments for the heliocentric model of the Solar System, ostensibly as a means to render tables charting planetary motion more accurate and to simplify their production. In heliocentric models of the Solar system, the Earth orbits the Sun along with other bodies in Earth's galaxy, a contradiction according to the Greek Egyptian astronomer Ptolemy (2nd century CE; see above), whose system placed the Earth at the center of the Universe and had been accepted for over 1,400 years. The Greek astronomer Aristarchus of Samos (c. 310 – c. 230 BCE) had suggested that the Earth revolves around the Sun, but Copernicus' reasoning led to lasting general acceptance of this "revolutionary" idea. Copernicus' book presenting the theory (De revolutionibus orbium coelestium, "On the Revolutions of the Celestial Spheres") was published just before his death in 1543 and, as it is now generally considered to mark the beginning of modern astronomy, is also considered to mark the beginning of the Scientific Revolution. Copernicus' new perspective, along with the accurate observations made by Tycho Brahe, enabled German astronomer Johannes Kepler (1571–1630) to formulate his laws regarding planetary motion that remain in use today.
Галилео Галилей
Италиялық математик, астроном және физик Галилео Галилей (1564–1642) Коперник идеясын қолдауымен, астрономиялық жаңалықтарымен, тәжірибелік зерттеулерімен және телескопты жетілдіруімен әйгілі болды. Математик ретінде Галилейдің замандас университеттердегі орны заң, медицина және теология (философиямен тығыз байланысты) сияқты үш маңызды пәнге бағынған еді. Дегенмен, Галилей техникалық ғылымдардың сипаттамалық мазмұны философиялық қызығушылықты тудыратынын, әсіресе астрономиялық байқаулардың математикалық талдауы – атап айтқанда, Коперниктің Күн, Жер, Ай және планеталардың өзара қозғалысын талдауы – ғалам туралы философтардың пікірлерінің қате болуын көрсетуге болатынын сезінді. Галилей сондай-ақ механикалық тәжірибелер жүргізіп, қозғалыстың өзі – ол «табиғи» немесе «жасанды» (яғни, мақсатты түрде) болсын – математикалық тұрғыдан сипатталатын тұрақты қасиеттерге ие екенін дәлелдеді. Галилей Пиза университетінде медицинаны оқығанмен, тез арада математика мен физикаға қызығушылық танытты. 19 жасында, Пиза соборындағы шамның тербелісін өз пульсімен өлшеп, тербеліс амплитудасына қарамастан, тербеліс периодының өзгермейтінін анықтады – сопақшаның изохронды қасиетін ашты. Ол гидростатикалық тепе-теңдік құралын ойлап тапқандығымен және қатты денелердің ауырлық орталығы туралы еңбегімен де танымал болды. Пиза университетінде (1589–92) сабақ берген кезінде, ол қозғалыс заңдарын зерттеуге кірісті, нәтижелері Аристотельдің қабылданған ілімдеріне қарама-қайшы келіп, күшті наразылық тудырды. Ол денелердің салмағына пропорционалды жылдамдықпен құламайтынын анықтады. Галилейдің Пиза мұнарасынан салмақтарды тастағаны туралы әйгілі әңгіме – шындыққа жатпайды, бірақ ол снарядтың траекториясы парабола екенін анықтады және Ньютонның қозғалыс заңдарын болжаған тұжырымдар жасады (мысалы, инерция ұғымы). Олардың ішінде қазіргі кезде Галилейдің салыстырмалылық принципі деп аталатын кеңістік пен уақыттың қасиеттері туралы алғашқы нақты тұжырымдама бар. Галилейді «қазіргі заманғы астрономияның әкесі», «қазіргі заманғы физиканың әкесі», «ғылымның әкесі» және «қазіргі заманғы ғылымның әкесі» деп атады. Стивен Хокингтің айтуынша, «Галилео, басқа ешкімнен гөрі, қазіргі заманғы ғылымның тууына жауапты». Діни догма Күн жүйесінің геоцентрлік немесе Тихоникалық түсінігін талап еткендіктен, Галилейдің гелиоцентризмді қолдауы дау тудырды және ол Инквизиция тарапынан сотталды. «Өте қатысты ересіге күдікті» деп танылған ол өзінің сенімдерінен бас тартуға мәжбүр болды және өмірінің соңына дейін үй қамауында өтті. Галилейдің бақылау астрономиясына қосқан үлесі Венера фазаларының телескоп арқылы расталуын; 1609 жылы Юпитердің төрт ірі серігін (кейін «Галилей серіктері» деп аталды) ашуын; және күн дақтарын бақылау мен талдауын қамтиды. Галилей сондай-ақ қолданбалы ғылым мен технологияны зерттеді, оның ішінде әскери компас сияқты аспаптарды ойлап тапты. Оның Юпитер серіктерін ашқаны 1610 жылы жарияланды және оған Медичи сотының математигі және философы лауазымын алуға мүмкіндік берді. Осылайша, ол Аристотель дәстүріндегі философтармен пікірталас жүргізуге және «Екі жаңа ғылым туралы математикалық дәлелдемелер мен баяндамалар» (Диалог екі негізгі әлемдік жүйе туралы жарияланғаннан кейін шетелде жарияланды) және «The Assayer» сияқты өз еңбектерін жариялауға үлкен аудитория таба алды. Галилейдің қозғалыстың математикалық сипаттамаларын зерттеу және жасауға деген ынтасы тәжірибелерді табиғи философияның ажырамас бөлігіне айналдырды. Бұл дәстүр Уильям Гилберт және Фрэнсис Бэкон сияқты философиялық реформаторлардың «тәжірибелік тарихтарды» жинауға математикалық емес мән беруімен бірігіп, Галилейдің өліміне дейін және одан кейін көптеген жақтастарды тартты, соның ішінде Эвангелиста Торричелли және Италиядағы Accademia del Cimento мүшелері; Францияда Марин Мерсен және Блез Паскаль; Нидерландыда Кристиан Гюйгенс; және Англияда Роберт Хук және Роберт Бойль.
The Italian mathematician, astronomer, and physicist Galileo Galilei (1564–1642) was famous for his support for Copernicanism, his astronomical discoveries, empirical experiments and his improvement of the telescope. As a mathematician, Galileo's role in the university culture of his era was subordinated to the three major topics of study: law, medicine, and theology (which was closely allied to philosophy). Galileo, however, felt that the descriptive content of the technical disciplines warranted philosophical interest, particularly because mathematical analysis of astronomical observations – notably, Copernicus' analysis of the relative motions of the Sun, Earth, Moon, and planets – indicated that philosophers' statements about the nature of the universe could be shown to be in error. Galileo also performed mechanical experiments, insisting that motion itself – regardless of whether it was produced "naturally" or "artificially" (i. e. deliberately) – had universally consistent characteristics that could be described mathematically. Galileo's early studies at the University of Pisa were in medicine, but he was soon drawn to mathematics and physics. At 19, he discovered (and, subsequently, verified) the isochronal nature of the pendulum when, using his pulse, he timed the oscillations of a swinging lamp in Pisa's cathedral and found that it remained the same for each swing regardless of the swing's amplitude. He soon became known through his invention of a hydrostatic balance and for his treatise on the center of gravity of solid bodies. While teaching at the University of Pisa (1589–92), he initiated his experiments concerning the laws of bodies in motion that brought results so contradictory to the accepted teachings of Aristotle that strong antagonism was aroused. He found that bodies do not fall with velocities proportional to their weights. The famous story in which Galileo is said to have dropped weights from the Leaning Tower of Pisa is apocryphal, but he did find that the path of a projectile is a parabola and is credited with conclusions that anticipated Newton's laws of motion (e. g. the notion of inertia). Among these is what is now called Galilean relativity, the first precisely formulated statement about properties of space and time outside three dimensional geometry. Galileo has been called the "father of modern observational astronomy", the "father of modern physics", the "father of science", and "the father of modern science". According to Stephen Hawking, "Galileo, perhaps more than any other single person, was responsible for the birth of modern science." As religious orthodoxy decreed a geocentric or Tychonic understanding of the Solar system, Galileo's support for heliocentrism provoked controversy and he was tried by the Inquisition. Found "vehemently suspect of heresy", he was forced to recant and spent the rest of his life under house arrest. The contributions that Galileo made to observational astronomy include the telescopic confirmation of the phases of Venus; his discovery, in 1609, of Jupiter's four largest moons (subsequently given the collective name of the "Galilean moons"); and the observation and analysis of sunspots. Galileo also pursued applied science and technology, inventing, among other instruments, a military compass. His discovery of the Jovian moons was published in 1610 and enabled him to obtain the position of mathematician and philosopher to the Medici court. As such, he was expected to engage in debates with philosophers in the Aristotelian tradition and received a large audience for his own publications such as the Discourses and Mathematical Demonstrations Concerning Two New Sciences (published abroad following his arrest for the publication of Dialogue Concerning the Two Chief World Systems) and The Assayer. Galileo's interest in experimenting with and formulating mathematical descriptions of motion established experimentation as an integral part of natural philosophy. This tradition, combining with the non mathematical emphasis on the collection of "experimental histories" by philosophical reformists such as William Gilbert and Francis Bacon, drew a significant following in the years leading up to and following Galileo's death, including Evangelista Torricelli and the participants in the Accademia del Cimento in Italy; Marin Mersenne and Blaise Pascal in France; Christiaan Huygens in the Netherlands; and Robert Hooke and Robert Boyle in England.
Рене Декарт
Француз философы Рене Декарт (1596–1650) сол кездегі тәжірибелік философия желілерімен тығыз байланыста болды және оларға зор ықпал етті. Декарттың, алайда, Scholastic философиялық дәстүрін толыққанды түрде ауыстыруға бағытталған, одан да амбициялы жоспарлары болды. Сезімдер арқылы қабылданатын шындыққа күдік келтіріп, Декарт барлық байқалатын құбылыстарды көзге көрінбейтін "корпускулдар" теңізінің қозғалысына келтіру арқылы философиялық түсіндіру жүйелерін жаңартпақ болды. (Айта кетейік, ол адам ойын және Құдайды өз схемасынан тыс қалдырып, оларды физикалық әлемнен бөлек деп санады). Осы философиялық негізді ұсына отырып, Декарт планеталар мен жердегі заттардың қозғалысының түрлішелігі түбірінен ерекшеленбейді, олар тек ғаламдық принциптерге бағынатын корпускулдардың үздірсіз тізбегінің әртүрлі көріністері ғана деп есептеді. Оның кеңістіктегі корпускулдардың айналма қозғалысы тұрғысынан айналмалы астрономиялық қозғалыстарды түсіндіруі ерекше әсер етті (Декарт, шолостиктердің сенімдерімен, бірақ әдістерімен емес, үйлесе отырып, вакуумның болуы мүмкін емес екенін дәлелдеді), сондай-ақ корпускулдардың заттарды төмен қарай итеруі арқылы гравитацияны түсіндіруі де маңызды болды. Декарт, Галилей сияқты, математикалық түсіндірудің маңыздылығына сенді, ал ол және оның ізбасарлары 17 ғасырда математика мен геометрияның дамуындағы маңызды тұлғалар еді. Картезиандық математикалық сипаттамалар математикалық формулировкалардың бәрі тікелей физикалық әрекеттермен негізделуі керек деп тұжырымдайды, бұл ұстанымды Гюйгенс және неміс философы Готфрид Лейбниц та қолдады. Лейбниц Картезиан дәстүрін ұстанса да, Scholasticism-ге өзіндік философиялық баламасын жасады, оны 1714 жылы жариялаған «Монадология» еңбегінде баяндады. Декарт «Қазіргі заманғы философияның әкесі» деп аталды, ал кейінгі Батыс философиясының көп бөлігі оның жазбаларына жауап ретінде пайда болды, олар бүгінгі күнге дейін мұқият зерттеледі. Атап айтқанда, оның «Бірінші философия туралы медитациялар» еңбегі көптеген университеттердегі философия факультеттерінде стандартты оқулық ретінде қолданылады. Декарттың математикаға жасаған ықпалы да айқын: алгебралық теңдеулерді екі өлшемді координаттар жүйесінде геометриялық пішіндер түрінде бейнелеуге мүмкіндік беретін Декарт координаталық жүйесі оның құрметіне аталды. Ол аналитикалық геометрияның негізін қалаушы, алгебра мен геометрия арасындағы байланыс құралы, дифференциалдық және интегралдық есептеулерді ашуға үлкен үлес қосты.
The French philosopher René Descartes (1596–1650) was well connected to, and influential within, the experimental philosophy networks of the day. Descartes had a more ambitious agenda, however, which was geared toward replacing the Scholastic philosophical tradition altogether. Questioning the reality interpreted through the senses, Descartes sought to re establish philosophical explanatory schemes by reducing all perceived phenomena to being attributable to the motion of an invisible sea of "corpuscles". (Notably, he reserved human thought and God from his scheme, holding these to be separate from the physical universe). In proposing this philosophical framework, Descartes supposed that different kinds of motion, such as that of planets versus that of terrestrial objects, were not fundamentally different, but were merely different manifestations of an endless chain of corpuscular motions obeying universal principles. Particularly influential were his explanations for circular astronomical motions in terms of the vortex motion of corpuscles in space (Descartes argued, in accord with the beliefs, if not the methods, of the Scholastics, that a vacuum could not exist), and his explanation of gravity in terms of corpuscles pushing objects downward. Descartes, like Galileo, was convinced of the importance of mathematical explanation, and he and his followers were key figures in the development of mathematics and geometry in the 17th century. Cartesian mathematical descriptions of motion held that all mathematical formulations had to be justifiable in terms of direct physical action, a position held by Huygens and the German philosopher Gottfried Leibniz, who, while following in the Cartesian tradition, developed his own philosophical alternative to Scholasticism, which he outlined in his 1714 work, the Monadology. Descartes has been dubbed the "Father of Modern Philosophy", and much subsequent Western philosophy is a response to his writings, which are studied closely to this day. In particular, his Meditations on First Philosophy continues to be a standard text at most university philosophy departments. Descartes' influence in mathematics is equally apparent; the Cartesian coordinate system— allowing algebraic equations to be expressed as geometric shapes in a two dimensional coordinate system— was named after him. He is credited as the father of analytical geometry, the bridge between algebra and geometry, important to the discovery of calculus and analysis.
Кристиан Хюйгенс
Голланд физигі, математигі, астрономы және ойлап табушысы Кристиан Гюйгенс (1629–1695) Галилей мен Ньютон арасында Еуропадағы жетекші ғалым болды. Гюйгенс 17 ғасырдағы голланд қоғамында маңызды орын алған ақсүйек отбасынан шыққан; Голландия Республикасы экономикалық және мәдени жағынан гүлденген кезең. Нидерланд тарихындағы бұл кезең – шамамен 1588 және 1702 жылдар аралығы – сондай-ақ Голландияның алтын ғасыры деп аталады, бұл ғылыми революция кезінде голланд ғылымы Еуропадағы ең беделді ғылымдардың бірі болған дәуір. Осы уақытта Рене Декарт, Барух Спиноза, Пьер Бейль, Антоние ван Левенхук, Джон Локк және Гюго Гроций сияқты зиялылар мен ғалымдар Нидерландта тұрды. Кристиан Гюйгенс осы интеллектуалдық ортада өсті. Кристианның әкесі Константин Гюйгенс, маңызды ақын болғаннан басқа, Оранж князьдерінің хатшысы және дипломаты болды. Ол өзінің байланыстары мен интеллектуалдық қызығушылықтары арқасында, соның ішінде Рене Декарт пен Марин Мерсенн сияқты көптеген ғалымдарды білді, және осы байланыстардың арқасында Кристиан Гюйгенс олардың жұмысымен танысты. Әсіресе Декарттың механикалық философиясы Гюйгенстің жұмысына зор әсер етті. Кейін Декарт Кристиан Гюйгенстің геометриядағы шеберлігіне таң қалды, ал Мерсенн оны «жаңа Архимед» деп атады (бұл Константин ұлын «кішкентай Архимедім» деп атауына себеп болды). Гюйгенс 17 жасында Марин Мерсенмен хаттасуды бастады. Гюйгенс Фермат, Блез Паскаль және Жирард Десаргтың еңбектерімен танысқанда, кездейсоқ ойындарға қызығушылық танытты. Блез Паскаль оны Ван Рекенгинге Спелен ван Глюк деп жазуға шақырды, оны Франс ван Шутен аударды және 1657 жылы De Ratiociniis in Ludo Aleae деп жариялады. Бұл кітап – бұл тақырыпқа арналған ең ерте ғылыми зерттеу және сол кездегі математикалық ойынның ең толық баяндалуы. Екі жылдан кейін Гюйгенс өзінің De vi Centrifuga (1659) еңбегінде центрипетальді және центрифугальді күштердің классикалық механикадағы қазіргі стандартты формулаларын геометриялық түрде шығарды. Сол уақытта Гюйгенс сағаттану саласындағы зерттеулері маятник сағатын ойлап табуға әкелді; уақыт өлшеудегі жаңалық және шамамен 300 жыл ішінде ең дәл уақыт өлшегіш. Маятниктің жұмыс істеу әдісін теориялық зерттеулер оның ең маңызды жетістіктерінің бірі – Horologium Oscillatorium басылымына әкелді. Бұл еңбек 1673 жылы жарық көрді және механика бойынша 17 ғасырдағы ең маңызды үш жұмыстың бірі болды (басқа екеуі Галилеоның екі жаңа ғылымға қатысты Дискурстары мен математикалық демонстрациялары (1638) және Ньютонның Философиялық принциптері (1687)). Horologium Oscillatorium – физикалық проблема (ауысқан дененің жылдамдатылған қозғалысы) параметрлер жиынтығы арқылы идеалдастырылып, математикалық талдау жасалатын алғашқы заманауи трактат және қолданбалы математиканың негізгі еңбектерінің бірі болып табылады. Осы себепті Гюйгенс алғашқы теориялық физик және қазіргі математикалық физиканың негізін қалаушылардың бірі деп аталады. Гюйгенстің Horologium Oscillatorium физика тарихына, әсіресе оны қатты бағалаған Исаак Ньютонның еңбектеріне зор әсер етті. Мысалы, Гюйгенс Horologium Oscillatorium-да сипаттаған заңдар Ньютонның қозғалыс туралы алғашқы екі заңымен бірдей. Horologium Oscillatorium атты еңбегін жариялағаннан кейін бес жыл өткен соң, Гюйгенс жарық толқыны теориясын сипаттады. 1678 жылы ұсынылған, бірақ ол 1690 жылы ғана оның Traité de la Lumière-де жарияланды. Оның жарық туралы математикалық теориясы Ньютонның жарық туралы корпускулярлық теориясының пайдасына бас тартты, бірақ 1821 жылы Огюстен Жан Френель жарық сәулелерінің тік сызықты таралуы мен дифракциялық әсерін толық түсіндіру үшін Гюйгенс қағидасын қабылдады. Бүгінде бұл принцип Гюйгенс-Френель принципі деп аталады. Астроном ретінде Гюйгенс ағасы Константин кішімен бірге астрономиялық зерттеулер үшін телескоптар жасау үшін линзалар ұнтақтауға кірісті. Ол Сатурнның сақиналарын «жұқа, жазық сақина, еш жерде жанаспайды және эклиптикаға қарай еңкейіп тұрады» деп бірінші болып анықтады және рефракциялық телескоппен Сатурнның алғашқы серігі Титанды ашты. Физика мен астрономияда көптеген маңызды жаңалықтарды, өнерлі құрылғыларды ойлап тапқан Гюйгенс физикалық құбылыстарды математикалық түрде сипаттаған алғашқы адам болды. Осыған байланысты және ол континенттегі ғылыми зерттеулер үшін институционалдық базаларды жасады, оны «Еуропадағы ғылымды қалыптастырудың басты кейіпкері» деп атады.
The Dutch physicist, mathematician, astronomer and inventor Christiaan Huygens (1629–1695) was the leading scientist in Europe between Galileo and Newton. Huygens came from a family of nobility that had an important position in the Dutch society of the 17th century; a time in which the Dutch Republic flourished economically and culturally. This period— roughly between 1588 and 1702— of the history of the Netherlands is also referred to as the Dutch Golden Age, an era during the Scientific Revolution when Dutch science was among the most acclaimed in Europe. At this time, intellectuals and scientists like René Descartes, Baruch Spinoza, Pierre Bayle, Antonie van Leeuwenhoek, John Locke and Hugo Grotius resided in the Netherlands. It was in this intellectual environment where Christiaan Huygens grew up. Christiaan's father, Constantijn Huygens, was, apart from an important poet, the secretary and diplomat for the Princes of Orange. He knew many scientists of his time because of his contacts and intellectual interests, including René Descartes and Marin Mersenne, and it was because of these contacts that Christiaan Huygens became aware of their work. Especially Descartes, whose mechanistic philosophy was going to have a huge influence on Huygens' own work. Descartes was later impressed by the skills Christiaan Huygens showed in geometry, as was Mersenne, who christened him "the new Archimedes" (which led Constantijn to refer to his son as "my little Archimedes"). A child prodigy, Huygens began his correspondence with Marin Mersenne when he was 17 years old. Huygens became interested in games of chance when he encountered the work of Fermat, Blaise Pascal and Girard Desargues. It was Blaise Pascal who encourages him to write Van Rekeningh in Spelen van Gluck, which Frans van Schooten translated and published as De Ratiociniis in Ludo Aleae in 1657. The book is the earliest known scientific treatment of the subject, and at the time the most coherent presentation of a mathematical approach to games of chance. Two years later Huygens derived geometrically the now standard formulae in classical mechanics for the centripetal and centrifugal force in his work De vi Centrifuga (1659). Around the same time Huygens' research in horology resulted in the invention of the pendulum clock; a breakthrough in timekeeping and the most accurate timekeeper for almost 300 years. The theoretical research of the way the pendulum works eventually led to the publication of one of his most important achievements: the Horologium Oscillatorium. This work was published in 1673 and became one of the three most important 17th century works on mechanics (the other two being Galileo’s Discourses and Mathematical Demonstrations Relating to Two New Sciences (1638) and Newton’s Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687)). The Horologium Oscillatorium is the first modern treatise in which a physical problem (the accelerated motion of a falling body) is idealized by a set of parameters then analyzed mathematically and constitutes one of the seminal works of applied mathematics. It is for this reason, Huygens has been called the first theoretical physicist and one of the founders of modern mathematical physics. Huygens' Horologium Oscillatorium had a tremendous influence on the history of physics, especially on the work of Isaac Newton, who greatly admired the work. For instance, the laws Huygens described in the Horologium Oscillatorium are structurally the same as Newton's first two laws of motion. Five years after the publication of his Horologium Oscillatorium, Huygens described his wave theory of light. Though proposed in 1678, it wasn't published until 1690 in his Traité de la Lumière. His mathematical theory of light was initially rejected in favour of Newton's corpuscular theory of light, until Augustin Jean Fresnel adopted Huygens' principle to give a complete explanation of the rectilinear propagation and diffraction effects of light in 1821. Today this principle is known as the Huygens–Fresnel principle. As an astronomer, Huygens began grinding lenses with his brother Constantijn jr. to build telescopes for astronomical research. He was the first to identify the rings of Saturn as "a thin, flat ring, nowhere touching, and inclined to the ecliptic," and discovered the first of Saturn's moons, Titan, using a refracting telescope. Apart from the many important discoveries Huygens made in physics and astronomy, and his inventions of ingenious devices, he was also the first who brought mathematical rigor to the description of physical phenomena. Because of this, and the fact that he developed institutional frameworks for scientific research on the continent, he has been referred to as "the leading actor in 'the making of science in Europe
Исаак Ньютон
XVII ғасырдың соңы мен XVIII ғасырдың басында Кембридж университетінің физигі және математигі сэр Исаак Ньютонның (1642 – 1727) жетістіктері болды. Англия Корольдік қоғамының мүшесі Ньютон өзінің механика мен астрономиядағы жаңалықтарын бұрынғы жаңалықтармен біріктіріп, ғаламның жұмыс істеуін сипаттау үшін біртұтас жүйе құрды. Ньютон қозғалыс пен денелер арасындағы қатынасты және әмбебап гравитация заңын тұжырымдаған үш қозғалыс заңын жасады, соңғысы Жерге құлайтын денелердің ғана емес, сонымен қатар планеталар мен басқа да аспан денелерінің мінез-құлқын түсіндіруге мүмкіндік берді. Өз нәтижелеріне жету үшін Ньютон математиканың жаңа саласының бір түрін ойлап тапты: есептеу (сонымен қатар Готфрид Лейбниц тәуелсіз ойлап тапты), ол физиканың көптеген салаларының кейінгі дамуында маңызды құралға айналды. Ньютонның зерттеулері оның «Табиғи философияның математикалық принциптері» («Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica») еңбегінде баяндалған, оның 1687 жылы жарық көргені механика мен астрономияның қазіргі кезеңінің басталуын белгіледі. Ньютон барлық қозғалыстарды денелердің тікелей күшімен түсіндіруге болатын Декарттың механикалық дәстүрін жоққа шығарды. Өзінің үш қозғалыс заңы мен әмбебап гравитация заңы арқылы Ньютон денелердің табиғи пішіндермен анықталатын жолдармен қозғалатындығы туралы идеяны жоққа шығарды және оның орнына кез келген дененің болашақ қозғалыстарын, оның ағымдағы қозғалысын, массасын және оған әсер ететін күштерді білуге негізделген математикалық тұрғыдан есептеуге болатынын көрсетті. Дегенмен, аспан денелерінің байқалатын қозғалысы Ньютонның теориясына дәл сәйкес келмеді, ал теологиямен де қызығушылығы бар Ньютон, Құдай Күн жүйесінің тұрақтылығын сақтау үшін араласады деп ойлады. Ньютонның принциптері (бірақ оның математикалық әдістері емес) континенттік философтар арасында дау тудырды, олар оның қозғалыс пен гравитацияға метафизикалық түсіндірме бермеуін философиялық тұрғыдан қабылдауға болмайтын деп тапты. 1700 жылға қарай континенттік және британдық философиялық дәстүрлер арасында қатты ажырым пайда болды, оны Ньютон мен Лейбництің ізбасарлары арасындағы есептеудің аналитикалық әдістеріне басымдық беру туралы қызу, үздіксіз және жеке даулар қоздырды. Бастапқыда картезиандық және лейбництік дәстүрлер континентте басым болды (Британиядан басқа барлық жерде лейбництік есептеу белгілерінің басымдығына әкелді). Ньютонның өзі гравитацияны түсінуде философиялық түсініктің болмауына жеке алаңдады, бірақ оның шындығын анықтау үшін мұндай түсінік қажет емес деп жазды. 18 ғасырдың аяғына қарай континенттік табиғат зерттеушілері математикалық сипатталған қозғалыстар үшін онтологиялық метафизикалық түсіндірмелерден бас тартуға Ньютондықтардың дайындығын көбірек қабылдады. Ньютон алғашқы жұмыс істейтін күзгү телескопты жасады және жарық туралы теорияны жасады, ол «Opticks» журналында жарық көрген, ақ жарықты призманың көру спектрін құрайтын көптеген түстерге ыдыратуын байқауға негізделген. Ньютон жарықты ұсақ бөлшектерден құралған деп түсіндірсе, оның мінез-құлқын толқындар тұрғысынан түсіндіретін жарықтың бәсекелес теориясын 1690 жылы Христиан Гюйгенс ұсынды. Алайда, механикалық философияға сенім мен Ньютонның беделі толқын теориясы 19 ғасырға дейін салыстырмалы түрде аз қолдау тапты дегенді білдірді. Ньютон сонымен қатар салқындатудың эмпирикалық заңын жасады, дыбыс жылдамдығын зерттеді, қуат қатарларын зерттеді, жалпыланған биномдық теореманы көрсетті және функцияның түбірлерін шамалау әдісін жасады. Оның шексіз қатарлар бойынша жұмысы Саймон Стивеннің ондықтарынан әсер алды. Ең бастысы, Ньютон Жердегі және аспандағы денелердің қозғалысы табиғат заңдарының бір жиынтығымен реттелетінін көрсетті, олар қалаусыз да, қаскөй де емес. Кеплердің планеталардың қозғалысы туралы заңдары мен оның өзінің гравитация теориясының өзара сәйкес екенін дәлелдеген Ньютон гелиоцентризм туралы соңғы күмәнді де жойды. Ғылыми революция кезінде айтылған барлық идеяларды біріктіру арқылы Ньютон математика мен ғылымдағы қазіргі қоғамның негізін тиімді құрды.
The late 17th and early 18th centuries saw the achievements of Cambridge University physicist and mathematician Sir Isaac Newton (1642 1727). Newton, a fellow of the Royal Society of England, combined his own discoveries in mechanics and astronomy to earlier ones to create a single system for describing the workings of the universe. Newton formulated three laws of motion which formulated the relationship between motion and objects and also the law of universal gravitation, the latter of which could be used to explain the behavior not only of falling bodies on the earth but also planets and other celestial bodies. To arrive at his results, Newton invented one form of an entirely new branch of mathematics: calculus (also invented independently by Gottfried Leibniz), which was to become an essential tool in much of the later development in most branches of physics. Newton's findings were set forth in his Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ("Mathematical Principles of Natural Philosophy"), the publication of which in 1687 marked the beginning of the modern period of mechanics and astronomy. Newton was able to refute the Cartesian mechanical tradition that all motions should be explained with respect to the immediate force exerted by corpuscles. Using his three laws of motion and law of universal gravitation, Newton removed the idea that objects followed paths determined by natural shapes and instead demonstrated that not only regularly observed paths, but all the future motions of any body could be deduced mathematically based on knowledge of their existing motion, their mass, and the forces acting upon them. However, observed celestial motions did not precisely conform to a Newtonian treatment, and Newton, who was also deeply interested in theology, imagined that God intervened to ensure the continued stability of the solar system. Newton's principles (but not his mathematical treatments) proved controversial with Continental philosophers, who found his lack of metaphysical explanation for movement and gravitation philosophically unacceptable. Beginning around 1700, a bitter rift opened between the Continental and British philosophical traditions, which were stoked by heated, ongoing, and viciously personal disputes between the followers of Newton and Leibniz concerning priority over the analytical techniques of calculus, which each had developed independently. Initially, the Cartesian and Leibnizian traditions prevailed on the Continent (leading to the dominance of the Leibnizian calculus notation everywhere except Britain). Newton himself remained privately disturbed at the lack of a philosophical understanding of gravitation while insisting in his writings that none was necessary to infer its reality. As the 18th century progressed, Continental natural philosophers increasingly accepted the Newtonians' willingness to forgo ontological metaphysical explanations for mathematically described motions. Newton built the first functioning reflecting telescope and developed a theory of color, published in Opticks, based on the observation that a prism decomposes white light into the many colours forming the visible spectrum. While Newton explained light as being composed of tiny particles, a rival theory of light which explained its behavior in terms of waves was presented in 1690 by Christiaan Huygens. However, the belief in the mechanistic philosophy coupled with Newton's reputation meant that the wave theory saw relatively little support until the 19th century. Newton also formulated an empirical law of cooling, studied the speed of sound, investigated power series, demonstrated the generalised binomial theorem and developed a method for approximating the roots of a function. His work on infinite series was inspired by Simon Stevin's decimals. Most importantly, Newton showed that the motions of objects on Earth and of celestial bodies are governed by the same set of natural laws, which were neither capricious nor malevolent. By demonstrating the consistency between Kepler's laws of planetary motion and his own theory of gravitation, Newton also removed the last doubts about heliocentrism. By bringing together all the ideas set forth during the Scientific Revolution, Newton effectively established the foundation for modern society in mathematics and science.
Басқа жетістіктер
Физиканың басқа салалары да Ғылыми революция кезеңінде назар аударды. Елизавета I патшайымының жеке дәрігері Уильям Гилберт 1600 жылы магнетизм туралы маңызды еңбек жариялады, онда жердің өзінің алып магнит сияқты қалай әрекет ететінін сипаттады. Роберт Бойль (1627–91) жабық кеңістіктегі газдардың қасиеттерін зерттеді және оның атымен аталатын газ заңын тұжырымдады; сондай-ақ физиология ғылымына және қазіргі химияның негізін қалауға үлес қосты. Ғылыми революцияның тағы бір маңызды факторы – түрлі елдерде білімді қоғамдар мен академиялардың құрылуы болды. Олардың алғашқылары Италия мен Германияда пайда болды, бірақ ұзаққа соқпады. Көбірек әсер еткендері – Англия Корольдік қоғамы (1660) және Франция Ғылым академиясы (1666) болды. Біріншісі Лондондағы жекеменшік мекеме еді және Джон Уоллис, Уильям Брункер, Томас Сиденхэм, Джон Мейо және Кристофер Рен (ол сәулет өнерінен бөлек, астрономия мен анатомияға да үлес қосты) сияқты ғалымдарды қамтыды; екіншісі Париждегі мемлекеттік мекеме болды және құрамына голланд ғалымы Гюйгенс шетелдік мүше ретінде кірді. XVIII ғасырда Берлинде (1700) және Санкт-Петербургта (1724) маңызды патша академиялары құрылды. Осы қоғамдар мен академиялар ғылыми революция кезінде және одан кейін ғылыми нәтижелерді жариялау және талқылау үшін маңызды мүмкіндіктер ұсынды. 1690 жылы Джеймс Бернулли циклоиданың таутохрондық есептің шешімі екенін көрсетті, ал келесі жылы, 1691 жылы, Иоганн Бернулли екі нүктеге еркін ілінген тізбектің катенария түрінде болатынын, яғни екі бекітілген нүкте арасында ілінген кез келген тізбектің ең төменгі ауырлық центріне ие қисық сызық екенін дәлелдеді. Содан кейін, 1696 жылы, ол циклоиданың брахистохрондық есептің де шешімі екенін көрсетті.
Other branches of physics also received attention during the period of the Scientific Revolution. William Gilbert, court physician to Queen Elizabeth I, published an important work on magnetism in 1600, describing how the earth itself behaves like a giant magnet. Robert Boyle (1627–91) studied the behavior of gases enclosed in a chamber and formulated the gas law named for him; he also contributed to physiology and to the founding of modern chemistry. Another important factor in the scientific revolution was the rise of learned societies and academies in various countries. The earliest of these were in Italy and Germany and were short lived. More influential were the Royal Society of England (1660) and the Academy of Sciences in France (1666). The former was a private institution in London and included such scientists as John Wallis, William Brouncker, Thomas Sydenham, John Mayow, and Christopher Wren (who contributed not only to architecture but also to astronomy and anatomy); the latter, in Paris, was a government institution and included as a foreign member the Dutchman Huygens. In the 18th century, important royal academies were established at Berlin (1700) and at St. Petersburg (1724). The societies and academies provided the principal opportunities for the publication and discussion of scientific results during and after the scientific revolution. In 1690, James Bernoulli showed that the cycloid is the solution to the tautochrone problem; and the following year, in 1691, Johann Bernoulli showed that a chain freely suspended from two points will form a catenary, the curve with the lowest possible center of gravity available to any chain hung between two fixed points. He then showed, in 1696, that the cycloid is the solution to the brachistochrone problem.
Ерте термодинамика
Қозғалтқыштың алғы күресін 1650 жылы Магдебург жарты шарлары тәжірибесіне сәйкес, әлемдегі алғашқы вакуумды құру үшін вакуумдық сорғыны жобалаған және құрастырған неміс ғалымы Отто фон Герике жасады. Ол Аристотельдің «Табиғат вакуумды жек көреді» деген ұзақ уақыт бойы сақталған пікірін жоққа шығару үшін вакуум жасауға тырысты. Содан кейін ирланд физигі және химигі Бойль Герике жасаған жобалар туралы біліп, 1656 жылы ағылшын ғалымы Роберт Хукпен бірлесіп, ауа сорғысын жасады. Осы сорғыны қолданып, Бойль мен Хук газдың қысым-көлем арақатынасын байқады: PV = k, мұнда P – қысым, V – көлем, ал k – тұрақты шама: бұл қатынас Бойль заңы деп аталады. Сол кезде ауа қозғалмайтын бөлшектерден тұрады деп есептелді және оны қозғалатын молекулалар жүйесі ретінде түсіндірмеді. Термиялық қозғалыс туралы түсінік екі ғасырдан кейін пайда болды. Сондықтан 1660 жылы Бойльдің жарияланымдарында ауа серпімі – механикалық тұжырымдама туралы айтылған. Кейін термометр ойлап табылғаннан кейін температураның қасиетін анықтау мүмкін болды. Бұл құрал Гей-Люссакқа өзінің заңын тудыруға мүмкіндік берді, ол жақын арада идеал газ заңына әкелді. Бірақ, идеал газ заңы қалыптасқанға дейін Бойльдің әріптесі Денис Папен 1679 жылы сүйек қайнататын қазанды жасады, ол жоғары қысым пайда болғанға дейін буды тығыз жабылатын қақпағы бар жабық ыдысқа қамтиды. Кейінгі конструкцияларда машинаның жарылып кетуіне жол бермеу үшін буды шығару клапаны енгізілді. Клапанның ритмикалық жоғары-төмен қозғалысын бақылап, Папен поршеньді цилиндрлі қозғалтқыш идеясын ойлап тапты. Алайда ол жобасын іске асырмады. Дегенмен, 1697 жылы инженер Томас Севери Папеннің жобаларына негізделіп, алғашқы қозғалтқышты жасады. Бұл алғашқы қозғалтқыштар шикі және тиімсіз болғанымен, сол кездегі жетекші ғалымдардың назарын аударды. Осылайша, 1698 жылға дейін және Савери қозғалтқышының ойлап табылуына дейін Англиядағы суға толы тұз кендерінен су шығару үшін жылқылар шкивтерге бекітілген шелектерді итермелейтін. Келесі жылдары Ньюкомен қозғалтқышы және кейін Уатт қозғалтқышы сияқты бу қозғалтқыштарының көптеген түрлері құрастырылды. Уақыт өте келе осы алғашқы қозғалтқыштар жылқының орнына қолданыла бастады. Осылайша, әрбір қозғалтқыш ауыстырған жылқы санына байланысты белгілі бір «ат күшімен» байланысты болды. Бұл алғашқы қозғалтқыштардың басты мәселесі олардың баяу және ұқыпсыз болуы, кіріс отынның 2% -дан азын пайдалы жұмысқа айналдыруы болды. Басқаша айтқанда, жұмыс өнімінің шағын бөлігін алу үшін үлкен мөлшерде көмір (немесе ағаш) жағу қажет болды. Осыдан кейін қозғалтқыш динамикасының жаңа ғылымына қажеттілік туды.
A precursor of the engine was designed by the German scientist Otto von Guericke who, in 1650, designed and built the world's first vacuum pump to create a vacuum as demonstrated in the Magdeburg hemispheres experiment. He was driven to make a vacuum to disprove Aristotle's long held supposition that 'Nature abhors a vacuum'. Shortly thereafter, Irish physicist and chemist Boyle had learned of Guericke's designs and in 1656, in coordination with English scientist Robert Hooke, built an air pump. Using this pump, Boyle and Hooke noticed the pressure volume correlation for a gas: PV = k, where P is pressure, V is volume and k is a constant: this relationship is known as Boyle's Law. In that time, air was assumed to be a system of motionless particles, and not interpreted as a system of moving molecules. The concept of thermal motion came two centuries later. Therefore, Boyle's publication in 1660 speaks about a mechanical concept: the air spring. Later, after the invention of the thermometer, the property temperature could be quantified. This tool gave Gay Lussac the opportunity to derive his law, which led shortly later to the ideal gas law. But, already before the establishment of the ideal gas law, an associate of Boyle's named Denis Papin built in 1679 a bone digester, which is a closed vessel with a tightly fitting lid that confines steam until a high pressure is generated. Later designs implemented a steam release valve to keep the machine from exploding. By watching the valve rhythmically move up and down, Papin conceived of the idea of a piston and cylinder engine. He did not however follow through with his design. Nevertheless, in 1697, based on Papin's designs, engineer Thomas Savery built the first engine. Although these early engines were crude and inefficient, they attracted the attention of the leading scientists of the time. Hence, prior to 1698 and the invention of the Savery Engine, horses were used to power pulleys, attached to buckets, which lifted water out of flooded salt mines in England. In the years to follow, more variations of steam engines were built, such as the Newcomen Engine, and later the Watt Engine. In time, these early engines would eventually be used in place of horses. Thus, each engine began to be associated with a certain amount of "horse power" depending upon how many horses it had replaced. The main problem with these first engines was that they were slow and clumsy, converting less than 2% of the input fuel into useful work. In other words, large quantities of coal (or wood) had to be burned to yield only a small fraction of work output. Hence the need for a new science of engine dynamics was born.
18 ғасырдағы өзгерістер
18 ғасырда Ньютон қалаған механиканы көптеген ғалымдар математикалық талдауды үйреніп, оның алғашқы тұжырымдамасын кеңейткен сайын дамытты. Қозғалыс мәселелеріне математикалық талдау қолданылуы рационалды механика немесе аралас математика деп аталды (кейіннен классикалық механика деп атала бастады).
During the 18th century, the mechanics founded by Newton was developed by several scientists as more mathematicians learned calculus and elaborated upon its initial formulation. The application of mathematical analysis to problems of motion was known as rational mechanics, or mixed mathematics (and was later termed classical mechanics).
Механика
1714 жылы Брук Тейлор дифференциалдық теңдеуді шешу арқылы созылған тербелістің жиілігін оның кернеуі мен бірлік ұзындықтағы массасына қатысты анықтады. Швейцариялық математик Даниэль Бернулли (1700–1782) газдардың мінез-құлқына қатысты маңызды математикалық зерттеулер жасады, бір ғасырдан астам уақыттан кейін дамытылған газдардың кинетикалық теориясын болжады және оны алғашқы математикалық физик деп атады. 1733 жылы Даниэль Бернулли дифференциалдық теңдеуді шешу арқылы ілген тізбектің негізгі жиілігі мен гармоникаларын анықтады. 1734 жылы Бернулли бір ұшынан бекітілген серпімді таяқшаның тербелісі үшін дифференциалдық теңдеуді шешті. Бернуллидің сұйық динамикасы және сұйық ағынына қатысты зерттеулері 1738 жылғы «Гидродинамика» еңбегінде жарияланды. Рационалдық механика негізінен Ньютон принциптерін қолдана отырып, байқалған қозғалыстарды математикалық тұрғыдан зерттеуді дамытумен айналысты, күрделі есептеулерді жеңілдетуге және аналитикалық шамалаудың дұрыс әдістерін жасауға баса назар аударды. Иоганн Батист Хорват бұл сала бойынша оқулық жариялады. Ғасыр соңына қарай аналитикалық әдістер Ньютон заңдарына ғана сүйене отырып, Күн жүйесінің тұрақтылығын, Құдайдың араласуын ескермей тексеруге жеткілікті дәлдікке ие болды, тіпті ауырлықтағы үш дене проблемасы сияқты қарапайым жүйелердің детерминистік шешімдері де қиын болып қала берді. 1705 жылы Эдмонд Галлей Галлей кометасының қайталану периодын болжады, Уильям Гершель 1781 жылы Уранды ашты, ал Генри Кавендиш 1798 жылы гравитациялық тұрақтыны өлшеді және Жердің массасын анықтады. 1783 жылы Джон Мичелл кейбір денелердің массасы соншалықты үлкен болуы мүмкін екенін айтты, тіпті жарық та олардан қашып шыға алмайды. 1739 жылы Леонард Эйлер мәжбүрлі гармоникалық осциллятор үшін қарапайым дифференциалдық теңдеуді шешті және резонанс құбылысын байқады. 1742 жылы Колин Маклорин өзінің біркелкі айналатын және өзіндік гравитациялық сфераларын ашты. 1742 жылы Бенджамин Робинс «Артиллериядағы жаңа принциптер» еңбегін жариялап, аэродинамика ғылымын қалыптастырды. Тейлор мен Маклорин сияқты британдық математиктердің жұмыстары ғасырдың аяғына қарай континенттік дамудан қалып қойды. Осы уақытта континенттегі ғылыми академияларда Бернулли мен Эйлер, сондай-ақ Жозеф Луи Лагранж, Пьер Симон Лаплас және Адриен Мари Лежандр сияқты математиктердің жетекшілігімен жұмыстар гүлденді. 1743 жылы Жан Ле Ронд д’Алембер «Динамика туралы трактат» жариялады, онда ол жүйелерді және шектеулері бар жүйелерді жылдамдату үшін жалпыланған күштер ұғымын енгізді және виртуалды жұмыс туралы жаңа идеяны қолданып, динамикалық мәселені шешті, бұл қазір Д’Алембер принципі деп белгілі, және Ньютонның екінші қозғалыс заңына қарсылас болды. 1747 жылы Пьер Луи Мопертуи механикаға минимум принциптерін қолданды. 1759 жылы Эйлер тіктөртбұрышты барабанның тербелісі үшін бөлшектік дифференциалдық теңдеуді шешті. 1764 жылы Эйлер дөңгелек барабанның тербелісі үшін бөлшектік дифференциалдық теңдеуді зерттеді және Бессель функциясының бірін тапты. 1776 жылы Джон Смитон күш, жұмыс, импульс және кинетикалық энергияға қатысты эксперименттер туралы мақала жариялады, сонымен қатар энергияның сақталуын қолдады. 1788 жылы Лагранж «Аналитикалық механика» еңбегінде қозғалыс теңдеулерін ұсынды, онда механиканың барлық бөлігі виртуалды жұмыс принципіне негізделген. 1789 жылы Антуан Лавуазье массаның сақталу заңын тұжырымдады. 18-ші ғасырда дамыған рационалдық механика Лагранждың «Аналитикалық механикасы» және Лапластың «Көк механикасы туралы трактаты» (1799–1825) еңбектерінде толыққанды баяндалған.
In 1714, Brook Taylor derived the fundamental frequency of a stretched vibrating string in terms of its tension and mass per unit length by solving a differential equation. The Swiss mathematician Daniel Bernoulli (1700–1782) made important mathematical studies of the behavior of gases, anticipating the kinetic theory of gases developed more than a century later, and has been referred to as the first mathematical physicist. In 1733, Daniel Bernoulli derived the fundamental frequency and harmonics of a hanging chain by solving a differential equation. In 1734, Bernoulli solved the differential equation for the vibrations of an elastic bar clamped at one end. Bernoulli's treatment of fluid dynamics and his examination of fluid flow was introduced in his 1738 work Hydrodynamica. Rational mechanics dealt primarily with the development of elaborate mathematical treatments of observed motions, using Newtonian principles as a basis, and emphasized improving the tractability of complex calculations and developing of legitimate means of analytical approximation. A representative contemporary textbook was published by Johann Baptiste Horvath. By the end of the century analytical treatments were rigorous enough to verify the stability of the Solar System solely on the basis of Newton's laws without reference to divine intervention—even as deterministic treatments of systems as simple as the three body problem in gravitation remained intractable. In 1705, Edmond Halley predicted the periodicity of Halley's Comet, William Herschel discovered Uranus in 1781, and Henry Cavendish measured the gravitational constant and determined the mass of the Earth in 1798. In 1783, John Michell suggested that some objects might be so massive that not even light could escape from them. In 1739, Leonhard Euler solved the ordinary differential equation for a forced harmonic oscillator and noticed the resonance phenomenon. In 1742, Colin Maclaurin discovered his uniformly rotating self gravitating spheroids. In 1742, Benjamin Robins published his New Principles in Gunnery, establishing the science of aerodynamics. British work, carried on by mathematicians such as Taylor and Maclaurin, fell behind Continental developments as the century progressed. Meanwhile, work flourished at scientific academies on the Continent, led by such mathematicians as Bernoulli and Euler, as well as Joseph Louis Lagrange, Pierre Simon Laplace, and Adrien Marie Legendre. In 1743, Jean le Rond d'Alembert published his Traité de dynamique, in which he introduced the concept of generalized forces for accelerating systems and systems with constraints, and applied the new idea of virtual work to solve dynamical problem, now known as D'Alembert's principle, as a rival to Newton's second law of motion. In 1747, Pierre Louis Maupertuis applied minimum principles to mechanics. In 1759, Euler solved the partial differential equation for the vibration of a rectangular drum. In 1764, Euler examined the partial differential equation for the vibration of a circular drum and found one of the Bessel function solutions. In 1776, John Smeaton published a paper on experiments relating power, work, momentum and kinetic energy, and supporting the conservation of energy. In 1788, Lagrange presented his equations of motion in Mécanique analytique, in which the whole of mechanics was organized around the principle of virtual work. In 1789, Antoine Lavoisier stated the law of conservation of mass. The rational mechanics developed in the 18th century received expositions in both Lagrange's Mécanique analytique and Laplace's Traité de mécanique céleste (1799–1825).
Термодинамика
18 ғасырда термодинамика салмақсыз “салмақсыз сұйықтықтар” теориясы арқылы дамыды, мысалы, жылу (“калориялық”), электр және флогистон (бұл тұжырым ғасыр соңында Лавуазье оттегі газын анықтағаннан кейін тез арада жоққа шығарылды). Бұл ұғымдар нақты сұйықтықтар деп есептелгендіктен, олардың ағынын механикалық құралдар немесе химиялық реакциялар арқылы бақылауға болады. Осы тәжірибелік дәстүр Лейден банкасы сияқты жаңа тәжірибелік құралдарды жасауға әкелді; калориметр сияқты жаңа өлшеу құралдары және термометр сияқты ескі құралдардың жетілдірілген нұсқалары пайда болды. Эксперименттер сондай-ақ жаңа тұжырымдамаларды тудырды, мысалы, Глазго университетінің экспериментаторы Джозеф Блэктің жасырын жылу туралы түсінігі және Филадельфиялық ғалым Бенджамин Франклиннің электр сұйықтығын артық және кемшілік орындары арасында ағып жатқандай сипаттауы (кейіннен оң және теріс зарядтар тұрғысынан қайта қарастырылған тұжырымдама). Франклин 1752 жылы найзағайдың электр екенін де көрсетті. 18 ғасырда қабылданған жылу теориясы оны калориялық деп аталатын сұйықтық ретінде қарастырды; бұл теория кейінірек дұрыс емес екені дәлелденсе де, оған сенеген бірқатар ғалымдар қазіргі теорияны дамытуға пайдалы маңызды жаңалықтар жасады, соның ішінде Джозеф Блэк (1728–99 жж.) және Генри Кавендиш (1731–1810 жж.). Химиктер негізінен дамытқан калориялық теорияға қарсы, Ньютон заманынан бастау алған, бірақ аз қабылданған теория болды, ол жылу заттың бөлшектерінің қозғалысына байланысты екенін айтты. Бұл механикалық теория 1798 жылы граф Рамфордтың (Бенджамин Томпсон) зеңбірек тесігін бұрғылау эксперименттерінен қолдау тапты, ол жылу мен механикалық энергия арасындағы тікелей байланысты анықтады. 18 ғасырдың басында Ньютонның қозғалыс принциптеріне ұқсас электростатикалық және магниттік күштердің абсолютті теорияларын табу маңызды жетістік болары танылса да, ешқайсысы табылмады. Бұл мүмкін емес жағдай 19 ғасырдың басында Лондонда жаңадан құрылған Корольдік институты сияқты орындарда тәжірибелік практика кеңінен таралып, жетілдірілген кезде ғана жоғалып кетті. Осы арада рационалдық механиканың аналитикалық әдістері тәжірибелік құбылыстарға қолданыла бастады, ең әсерлісі француз математигі Джозеф Фурьедің 1822 жылы жарияланған жылу ағыны туралы аналитикалық зерттеуі болды. Жозеф Пристли 1767 жылы электрдің кері квадрат заңын ұсынды, ал Шарль Огюстен де Кулон 1798 жылы электростатиканың кері квадрат заңын енгізді. Ғасырдың соңында Француз ғылым академиясының мүшелері осы салада айқын үстемдікке ие болды. Сонымен қатар, Галилей және оның ізбасарлары қалыптастырған тәжірибелік дәстүр жалғасты. Корольдік қоғам мен Француз ғылым академиясы тәжірибелік жұмыстарды орындау және есеп берудің маңызды орталықтары болды. Механика, оптика, магнетизм, статикалық электр, химия және физиология салаларындағы эксперименттер 18 ғасырда бір-бірінен айқын ажыратылмады, бірақ түсіндіру схемаларында және, демек, эксперимент дизайнында маңызды айырмашылықтар пайда болды. Мысалы, химиялық экспериментаторлар химиялық байланыстарға абстрактілі Ньютондық күштердің схемасын енгізуге тырысуға қарсылық көрсетті, оның орнына химиялық заттар мен реакцияларды оқшаулау және жіктеуге назар аударды.
During the 18th century, thermodynamics was developed through the theories of weightless "imponderable fluids", such as heat ("caloric"), electricity, and phlogiston (which was rapidly overthrown as a concept following Lavoisier's identification of oxygen gas late in the century). Assuming that these concepts were real fluids, their flow could be traced through a mechanical apparatus or chemical reactions. This tradition of experimentation led to the development of new kinds of experimental apparatus, such as the Leyden Jar; and new kinds of measuring instruments, such as the calorimeter, and improved versions of old ones, such as the thermometer. Experiments also produced new concepts, such as the University of Glasgow experimenter Joseph Black's notion of latent heat and Philadelphia intellectual Benjamin Franklin's characterization of electrical fluid as flowing between places of excess and deficit (a concept later reinterpreted in terms of positive and negative charges). Franklin also showed that lightning is electricity in 1752. The accepted theory of heat in the 18th century viewed it as a kind of fluid, called caloric; although this theory was later shown to be erroneous, a number of scientists adhering to it nevertheless made important discoveries useful in developing the modern theory, including Joseph Black (1728–99) and Henry Cavendish (1731–1810). Opposed to this caloric theory, which had been developed mainly by the chemists, was the less accepted theory dating from Newton's time that heat is due to the motions of the particles of a substance. This mechanical theory gained support in 1798 from the cannon boring experiments of Count Rumford (Benjamin Thompson), who found a direct relationship between heat and mechanical energy. While it was recognized early in the 18th century that finding absolute theories of electrostatic and magnetic force akin to Newton's principles of motion would be an important achievement, none were forthcoming. This impossibility only slowly disappeared as experimental practice became more widespread and more refined in the early years of the 19th century in places such as the newly established Royal Institution in London. Meanwhile, the analytical methods of rational mechanics began to be applied to experimental phenomena, most influentially with the French mathematician Joseph Fourier's analytical treatment of the flow of heat, as published in 1822. Joseph Priestley proposed an electrical inverse square law in 1767, and Charles Augustin de Coulomb introduced the inverse square law of electrostatics in 1798. At the end of the century, the members of the French Academy of Sciences had attained clear dominance in the field. At the same time, the experimental tradition established by Galileo and his followers persisted. The Royal Society and the French Academy of Sciences were major centers for the performance and reporting of experimental work. Experiments in mechanics, optics, magnetism, static electricity, chemistry, and physiology were not clearly distinguished from each other during the 18th century, but significant differences in explanatory schemes and, thus, experiment design were emerging. Chemical experimenters, for instance, defied attempts to enforce a scheme of abstract Newtonian forces onto chemical affiliations, and instead focused on the isolation and classification of chemical substances and reactions.
Механика
1821 жылы Уильям Гамильтон Гамильтонның сипаттамалық функциясын талдауды бастады. 1835 жылы ол Гамильтонның каноникалық қозғалыс теңдеулерін жариялады. 1813 жылы Питер Эварт өзінің "Қозғалыс күшінің өлшемі туралы" еңбегінде энергияның сақталуы идеясын қолдады. 1829 жылы Гаспар Кориолис жұмыс (күш пен қашықтықтың көбейтіндісі) және кинетикалық энергия терминдерін қазіргі мағыналарымен енгізді. 1841 жылы әуесқой ғалым Джулиус Роберт фон Майер энергияның сақталуы туралы мақала жазды, бірақ оның академиялық білімі жетіспегендіктен мақаласы қабылданбады. 1847 жылы Герман фон Гельмгольц энергияның сақталу заңын ресми түрде жариялады.
In 1821, William Hamilton began his analysis of Hamilton's characteristic function. In 1835, he stated Hamilton's canonical equations of motion. In 1813, Peter Ewart supported the idea of the conservation of energy in his paper On the measure of moving force. In 1829, Gaspard Coriolis introduced the terms of work (force times distance) and kinetic energy with the meanings they have today. In 1841, Julius Robert von Mayer, an amateur scientist, wrote a paper on the conservation of energy, although his lack of academic training led to its rejection. In 1847, Hermann von Helmholtz formally stated the law of conservation of energy.
Электромагнетизм
1800 жылы Алессандро Вольта электр батареясын (вольттік тізбек деп аталады) ойлап тапты және осылайша электр тогын зерттеудің жолын жақсартты. Бір жыл өткен соң Томас Янг жарықтың толқынды табиғатын көрсетті, бұл Августин Жан Френельдің жұмыстарымен және интерференция принципімен мықты тәжірибелік қолдау тапты. 1820 жылы Ханс Кристиан Орстед ток өткізгіштің айналасында магниттік күш тудыратынын анықтады, ал Орстедтің ашылуы Францияға жеткеннен кейін бір апта ішінде Андре Мари Ампер екі параллель электр тогының бір-біріне күш түсіретінін ашты. 1821 жылы Майкл Фарадей электр қуатымен жұмыс істейтін қозғалтқыш жасады, ал Георг Ом 1826 жылы электр кедергісі заңын тұжырымдап, электр тізбегіндегі кернеу, ток және кедергі арасындағы қатынасты түсіндірді. 1831 жылы Фарадей (және тәуелсіз түрде Джозеф Генри) кері әсерді – электромагниттік индукция деп аталатын магнит арқылы электр потенциалын немесе токтың туындауын ашты; осы екі жаңалық электр қозғалтқышы мен электр генераторының негізі болып табылады.
In 1800, Alessandro Volta invented the electric battery (known as the voltaic pile) and thus improved the way electric currents could also be studied. A year later, Thomas Young demonstrated the wave nature of light—which received strong experimental support from the work of Augustin Jean Fresnel—and the principle of interference. In 1820, Hans Christian Ørsted found that a current carrying conductor gives rise to a magnetic force surrounding it, and within a week after Ørsted's discovery reached France, André Marie Ampère discovered that two parallel electric currents will exert forces on each other. In 1821, Michael Faraday built an electricity powered motor, while Georg Ohm stated his law of electrical resistance in 1826, expressing the relationship between voltage, current, and resistance in an electric circuit. In 1831, Faraday (and independently Joseph Henry) discovered the reverse effect, the production of an electric potential or current through magnetism – known as electromagnetic induction; these two discoveries are the basis of the electric motor and the electric generator, respectively.
Термодинамиканың заңдары
XIX ғасырда жылу мен механикалық энергия арасындағы байланысты 1840 жылдары жылудың механикалық эквивалентін өлшеген Джулиус Роберт фон Майер мен Джеймс Прескотт Джоуль сандық тұрғыда анықтады. 1849 жылы Джоуль өзінің тәжірибелер сериясынан (соның ішінде аралық дөңгелекті тәжірибе) жылудың энергияның бір түрі екенін көрсететін нәтижелерді жариялады, бұл факт 1850 жылдары қабылданды. Жылу мен энергия арасындағы байланыс бу машиналарының дамуы үшін маңызды болды, ал 1824 жылы Сади Карноның тәжірибелік және теориялық жұмысы жарияланды. Карно идеалды машинаның тиімділігін талқылау кезінде термодинамиканың кейбір идеяларын ұстады. Сади Карноның еңбегі термодинамиканың бірінші заңын қалыптастыруға негіз болды – энергияны сақтау заңының қайта формулировкасы, оны 1850 жылдары Уильям Томсон, кейіннен лорд Келвин, және Рудольф Клаузиус тұжырымдады. 1848 жылы абсолюттік нөл тұжырымын газдардан барлық заттарға дейін кеңейткен лорд Келвин, Лазар Карно, Сади Карно және Эмиль Клэперонның инженерлік теориясына, сондай-ақ Джеймс Прескотт Джоульдің механикалық, химиялық, жылулық және электрлік жұмыстардың түрлерінің өзара алмасуына қатысты эксперименттеріне сүйене отырып, бірінші заңды қалыптастырды. Келвин мен Клаузиус термодинамиканың екінші заңын да тұжырымдады, ол бастапқыда жылудың суық денеден ыстық денеге өздігінен өте алмайтыны туралы айтылған. Басқа тұжырымдамалар да тез арада пайда болды (мысалы, екінші заң Томсон мен Питер Гатри Тейттің «Табиғат философиясы туралы трактат» еңбегінде түсіндірілді) және Келвин заңның кейбір жалпы мағынасын түсінді. Екінші заң – газдар молекулалардан тұрады деген идея – 1738 жылы Даниэль Бернулли тарапынан егжей-тегжейлі талқыланған, бірақ ол ұнамай қалды және 1857 жылы Клаузиус қайта жаңғыртты. 1850 жылы Гипполит Физо мен Леон Фуко жарық жылдамдығын суда өлшеді және оның ауадағыдан баяу екенін анықтады, бұл жарықтың толқындық моделін қолдайды. 1852 жылы Джоуль мен Томсон тез кеңейіп жатқан газдың салқындатылатынын көрсетті, кейіннен бұл Джоуль-Томсон эффектісі немесе Джоуль-Кельвин эффектісі деп аталды. Герман фон Гельмгольц 1854 жылы, Клаузиус dQ/T (Клаузиус теоремасы) маңыздылығын белгілеген жылда (бірақ ол шаманы әлі атамаған), ғаламның жылулық өлімі туралы идеяны ұсынды.
In the 19th century, the connection between heat and mechanical energy was established quantitatively by Julius Robert von Mayer and James Prescott Joule, who measured the mechanical equivalent of heat in the 1840s. In 1849, Joule published results from his series of experiments (including the paddlewheel experiment) which show that heat is a form of energy, a fact that was accepted in the 1850s. The relation between heat and energy was important for the development of steam engines, and in 1824 the experimental and theoretical work of Sadi Carnot was published. Carnot captured some of the ideas of thermodynamics in his discussion of the efficiency of an idealized engine. Sadi Carnot's work provided a basis for the formulation of the first law of thermodynamics—a restatement of the law of conservation of energy—which was stated around 1850 by William Thomson, later known as Lord Kelvin, and Rudolf Clausius. Lord Kelvin, who had extended the concept of absolute zero from gases to all substances in 1848, drew upon the engineering theory of Lazare Carnot, Sadi Carnot, and Émile Clapeyron–as well as the experimentation of James Prescott Joule on the interchangeability of mechanical, chemical, thermal, and electrical forms of work—to formulate the first law. Kelvin and Clausius also stated the second law of thermodynamics, which was originally formulated in terms of the fact that heat does not spontaneously flow from a colder body to a hotter. Other formulations followed quickly (for example, the second law was expounded in Thomson and Peter Guthrie Tait's influential work Treatise on Natural Philosophy) and Kelvin in particular understood some of the law's general implications. The second Law–the idea that gases consist of molecules in motion–had been discussed in some detail by Daniel Bernoulli in 1738, but had fallen out of favor, and was revived by Clausius in 1857. In 1850, Hippolyte Fizeau and Léon Foucault measured the speed of light in water and find that it is slower than in air, in support of the wave model of light. In 1852, Joule and Thomson demonstrated that a rapidly expanding gas cools, later named the Joule–Thomson effect or Joule–Kelvin effect. Hermann von Helmholtz puts forward the idea of the heat death of the universe in 1854, the same year that Clausius established the importance of dQ/T (Clausius's theorem) (though he did not yet name the quantity).
Статистикалық механика (ғылымға түбегейлі жаңа көзқарас)
1859 жылы Джеймс Клерк Максвелл молекулалық жылдамдықтардың таралу заңдылығын ашты. Максвелл электр және магнит өрістерінің көзінен жарық жылдамдығына тең жылдамдықпен сыртқа таралатынын және жарық – тек жиілігі мен толқын ұзындығымен ерекшеленетін электромагниттік сәулеленудің бірнеше түрінің бірі екенін көрсетті. 1859 жылы Максвелл газ молекулаларының жылдамдықтары таралуының математикалық теңдеуін шығарды. Максвеллдің электромагниттік өріс бойынша жұмыстары кезінде жарықтың толқындық теориясы кеңінен қабылданды, ал кейіннен жарық пен электр және магнетизмді зерттеу тығыз байланысты болды. 1864 жылы Джеймс Максвелл электромагниттік өрістің динамикалық теориясы туралы мақалаларын жариялады және жарық электромагниттік құбылыс екенін 1873 жылғы Максвеллдің «Электр және магнетизм туралы трактаты» басылымында мәлімдеді. Бұл жұмыс Карл Фридрих Гаусс және Вильгельм Вебер сияқты неміс теоретиктерінің теориялық еңбектеріне негізделді. Жылуды бөлшектердің қозғалысына айналдыру және Ньютон динамикасына электромагниттік күштерді қосу физикалық байқауларға берік теориялық негіз салды. Жарық «жарық эфирі» арқылы толқын түрінде энергияны таратуды білдіреді деген болжам және Гельмгольцтің шәкірті Генрих Герцтің 1888 жылы электромагниттік сәулеленуді анықтауымен осы болжамның расталуы физикалық теорияның үлкен жеңісі болды және одан да негізгі теориялардың жақын арада жасалу мүмкіндігін көрсетті. Максвелл теориясын тәжірибелік тұрғыдан Герц растады, ол 1886 жылы электр толқындарын жасап, анықтады және олардың қасиеттерін тексерді, сонымен қатар оларды радио, теледидар және басқа да құрылғыларда қолдануға болатынын болжады. 1887 жылы Генрих Герц фотоэлектрлік эффектіні ашты. Электромагниттік толқындарды зерттеу көп ұзамай басталды, көптеген ғалымдар мен өнертапқыштар олардың қасиеттерін зерттеу үшін тәжірибелер жүргізді. 1890 жылдардың ортасынан соңына дейін Гульельмо Маркони радио толқындарына негізделген сымсыз телеграф жүйесін жасады (радионың ойлап табылуына қараңыз). 19 ғасырдың басында химияшы Джон Дальтон атомдық материя теориясын қайта ұсынды, ол Клаузиус пен Джеймс Клерк Максвелл термодинамика заңдарын түсіндіру үшін әзірлеген газдардың кинетикалық молекулалық теориясының гипотезаларының бірі болды. Кинетикалық теория өз кезегінде ғылымға революциялық көзқарас, Людвиг Болцманның (1844–1906) және Жосия Виллард Гиббстің (1839–1903) статистикалық механикасына әкелді, ол жүйенің микроқұйрықтарының статистикасын зерттейді және физикалық жүйенің күйін анықтау үшін статистиканы қолданады. Осы бөлшектердің белгілі бір ұйымдасқан күйлерінің ықтималдығын сол күйлердің энергиясымен байланыстыра отырып, Клаузиус энергияның таралуын молекулалық конфигурациялардың статистикалық тенденциясы ретінде қайта қарастырды (күйдің дезорганизациясын сипаттау үшін «энтропия» терминін енгізді). Термодинамиканың екінші заңының статистикалық және абсолюттік интерпретациялары бірнеше онжылдыққа созылған дауды тудырды (мысалы, «Максвелл демоны» сияқты аргументтер пайда болды), және ол 20 ғасырдың басында атомдардың мінез-құлқы толыққанды орнағанға дейін толыққанды шешілген деп есептелмеді. 1902 жылы Джеймс Джинс гравитациялық бұзылыстардың статикалық дерлік біртекті ортада өсуі үшін қажетті ұзындық өлшемін тапты.
In 1859, James Clerk Maxwell discovered the distribution law of molecular velocities. Maxwell showed that electric and magnetic fields are propagated outward from their source at a speed equal to that of light and that light is one of several kinds of electromagnetic radiation, differing only in frequency and wavelength from the others. In 1859, Maxwell worked out the mathematics of the distribution of velocities of the molecules of a gas. The wave theory of light was widely accepted by the time of Maxwell's work on the electromagnetic field, and afterward the study of light and that of electricity and magnetism were closely related. In 1864 James Maxwell published his papers on a dynamical theory of the electromagnetic field, and stated that light is an electromagnetic phenomenon in the 1873 publication of Maxwell's Treatise on Electricity and Magnetism. This work drew upon theoretical work by German theoreticians such as Carl Friedrich Gauss and Wilhelm Weber. The encapsulation of heat in particulate motion, and the addition of electromagnetic forces to Newtonian dynamics established an enormously robust theoretical underpinning to physical observations. The prediction that light represented a transmission of energy in wave form through a "luminiferous ether", and the seeming confirmation of that prediction with Helmholtz student Heinrich Hertz's 1888 detection of electromagnetic radiation, was a major triumph for physical theory and raised the possibility that even more fundamental theories based on the field could soon be developed. Experimental confirmation of Maxwell's theory was provided by Hertz, who generated and detected electric waves in 1886 and verified their properties, at the same time foreshadowing their application in radio, television, and other devices. In 1887, Heinrich Hertz discovered the photoelectric effect. Research on the electromagnetic waves began soon after, with many scientists and inventors conducting experiments on their properties. In the mid to late 1890s Guglielmo Marconi developed a radio wave based wireless telegraphy system
(see invention of radio). The atomic theory of matter had been proposed again in the early 19th century by the chemist John Dalton and became one of the hypotheses of the kinetic molecular theory of gases developed by Clausius and James Clerk Maxwell to explain the laws of thermodynamics. The kinetic theory in turn led to a revolutionary approach to science, the statistical mechanics of Ludwig Boltzmann (1844–1906) and Josiah Willard Gibbs (1839–1903), which studies the statistics of microstates of a system and uses statistics to determine the state of a physical system. Interrelating the statistical likelihood of certain states of organization of these particles with the energy of those states, Clausius reinterpreted the dissipation of energy to be the statistical tendency of molecular configurations to pass toward increasingly likely, increasingly disorganized states (coining the term "entropy" to describe the disorganization of a state). The statistical versus absolute interpretations of the second law of thermodynamics set up a dispute that would last for several decades (producing arguments such as "Maxwell's demon"), and that would not be held to be definitively resolved until the behavior of atoms was firmly established in the early 20th century. In 1902, James Jeans found the length scale required for gravitational perturbations to grow in a static nearly homogeneous medium.
Басқа да өзгерістер
1822 жылы ботаник Роберт Браун Браун қозғалысын ашты: судағы тозаң дәндері сұйықтықтағы жылдам қозғалатын атомдар немесе молекулалардың соқтығысуынан туындаған қозғалысқа түседі. 1834 жылы Карл Якоби өзінің біркелкі айналатын, өзін-өзі гравитациялық тартымға ұшырататын эллипсоидтарын (Якоби эллипсоиды) тапты. 1834 жылы Джон Расселл Эдинбург қаласына жақын Юнион каналында ыдырамайтын жалғыз су толқынын (солитон) байқады және су резервуарында жалғыз су толқынының жылдамдығының толқын амплитудасымен және су тереңдігімен байланысын зерттеді. 1835 жылы Гаспар Кориолис су дөңгелектерінің механикалық тиімділігін теориялық тұрғыдан зерттеді және Кориолис эффектін анықтады. 1842 жылы Кристиан Допплер Допплер эффектісін ұсынды. 1851 жылы Леон Фуко Жердің айналысын үлкен маятник арқылы көрсетті (Фуко маятнигі). Ғасырдың бірінші жартысында үздіксіз механика саласында маңызды жетістіктер болды, атап айтқанда, қатты денелер үшін серпімділік заңдарының жасалуы және сұйықтықтар үшін Навье-Сток теңдеулерінің ашылуы.
In 1822, botanist Robert Brown discovered Brownian motion: pollen grains in water undergoing movement resulting from their bombardment by the fast moving atoms or molecules in the liquid. In 1834, Carl Jacobi discovered his uniformly rotating self gravitating ellipsoids (the Jacobi ellipsoid). In 1834, John Russell observed a nondecaying solitary water wave (soliton) in the Union Canal near Edinburgh and used a water tank to study the dependence of solitary water wave velocities on wave amplitude and water depth. In 1835, Gaspard Coriolis examined theoretically the mechanical efficiency of waterwheels, and deduced the Coriolis effect. In 1842, Christian Doppler proposed the Doppler effect. In 1851, Léon Foucault showed the Earth's rotation with a huge pendulum (Foucault pendulum). There were important advances in continuum mechanics in the first half of the century, namely formulation of laws of elasticity for solids and discovery of Navier–Stokes equations for fluids.
20 ғасыр: қазіргі заманғы физиканың пайда болуы
19 ғасырдың соңында физика классикалық механиканың макроскопиялық жағдайларға қатысты өте күрделі мәселелерді шеше алатын деңгейге жеткен; термодинамика мен кинетикалық теория жақсы қалыптасқан; геометриялық және физикалық оптика электромагниттік толқындар тұрғысынан түсіндірілуге болатын; энергия мен импульс (және масса) сақталу заңдары кеңінен қабылданды. Осы және басқа да жетістіктер соншалықты терең болды, сондықтан физиканың барлық маңызды заңдары ашылған және енді зерттеулер ұсақ-түйек мәселелерді шешумен, әсіресе әдістеме мен өлшеуді жетілдірумен айналысады деп жалпы қабылданды. Алайда, 1900 жылдар шамасында классикалық теориялардың толықтығына күмән туды – мысалы, Максвелл теориясының табысы, бұрыннан-ақ көріне бастаған кемшіліктерімен және қара дене сәулеленуінің энергия таралуы мен фотоэлектр эффектісі сияқты кейбір физикалық құбылыстарды түсіндіруге қабілетсіздігімен шектелді, ал кейбір теориялық тұжырымдамалар шекке жеткенде парадоксқа әкелді. Хендрик Лоренц, Эмиль Кон, Эрнст Вихерт және Вильгельм Вьен сияқты көрнекті физиктер Максвелл теңдеулерінің кейбір өзгертілімдері барлық физикалық заңдардың негізін құруы мүмкін деп сенді. Классикалық физиканың бұл кемшіліктері ешқашан шешілмеді және жаңа идеялар қажет болды. 20 ғасырдың басында физика әлемін дүр сілкіндірген үлкен революция болды, ол жаңа дәуірге жол ашты, оны әдетте заманауи физика деп атайды.
At the end of the 19th century, physics had evolved to the point at which classical mechanics could cope with highly complex problems involving macroscopic situations; thermodynamics and kinetic theory were well established; geometrical and physical optics could be understood in terms of electromagnetic waves; and the conservation laws for energy and momentum (and mass) were widely accepted. So profound were these and other developments that it was generally accepted that all the important laws of physics had been discovered and that, henceforth, research would be concerned with clearing up minor problems and particularly with improvements of method and measurement. However, around 1900 serious doubts arose about the completeness of the classical theories—the triumph of Maxwell's theories, for example, was undermined by inadequacies that had already begun to appear—and their inability to explain certain physical phenomena, such as the energy distribution in blackbody radiation and the photoelectric effect, while some of the theoretical formulations led to paradoxes when pushed to the limit. Prominent physicists such as Hendrik Lorentz, Emil Cohn, Ernst Wiechert and Wilhelm Wien believed that some modification of Maxwell's equations might provide the basis for all physical laws. These shortcomings of classical physics were never to be resolved and new ideas were required. At the beginning of the 20th century a major revolution shook the world of physics, which led to a new era, generally referred to as modern physics.
Сәулеленумен тәжірибелер
XIX ғасырда эксперимент жүргізушілер күтпеген сәулелену түрлерін байқай бастады: Вильгельм Рентген 1895 жылы рентген сәулелерін ашқанда сенсация тудырды; 1896 жылы Анри Беккерель белгілі бір заттардың өздігінен сәуле шығаратынын ашты. 1897 жылы Дж. Дж. Томсон электронды ашты, ал Мари мен Пьер Кюри тапқан жаңа радиоактивті элементтер бұрынғысынан бері бүтіндей болатын саналып келген атом мен материяның табиғаты туралы сұрақтар тудырды. Мари мен Пьер осы қасиетті сипаттау үшін "радиоактивтілік" терминін енгізіп, радиоактивті элементтер радий мен полонийді бөліп алды. Эрнест Резерфорд пен Фредерик Содди Беккерелдің сәулеленуінің екі түрін электрондармен және гелий элементімен сәйкестендірді. Резерфорд радиоактивтіліктің екі түрін анықтап, атады және 1911 жылы атомның тығыз, оң зарядталған ядродан және оны қоршап тұрған теріс зарядталған электрондардан тұратынын көрсететін тәжірибелік деректерді түсіндірді. Бірақ классикалық теория бұл құрылымның тұрақсыз болуы керек екенін болжады. Классикалық теория 19 ғасырдың соңында пайда болған тағы екі тәжірибелік нәтижені де сәтті түсіндіре алмады. Олардың бірі Альберт А. Микельсон мен Эдвард В. Морли жасаған, электромагниттік құбылыстарды сипаттау үшін гипотетикалық жарық эфиріне қатысты ешқандай артықшылықты анықтама жүйесінің жоқ екенін көрсеткен Микельсон-Морли эксперименті болды. Радиация және радиоактивті ыдырауты зерттеу 1930 жылдарға дейін физикалық және химиялық зерттеулердің басты бағыты болып қала берді, содан кейін Лиза Майтнер мен Отто Фриштің ядролық бөлінуді ашуы "атомдық" энергия деп аталатын энергияны практикалық түрде пайдалануға жол ашты.
In the 19th century, experimenters began to detect unexpected forms of radiation: Wilhelm Röntgen caused a sensation with his discovery of X rays in 1895; in 1896 Henri Becquerel discovered that certain kinds of matter emit radiation on their own accord. In 1897, J. J. Thomson discovered the electron, and new radioactive elements found by Marie and Pierre Curie raised questions about the supposedly indestructible atom and the nature of matter. Marie and Pierre coined the term "radioactivity" to describe this property of matter, and isolated the radioactive elements radium and polonium. Ernest Rutherford and Frederick Soddy identified two of Becquerel's forms of radiation with electrons and the element helium. Rutherford identified and named two types of radioactivity and in 1911 interpreted experimental evidence as showing that the atom consists of a dense, positively charged nucleus surrounded by negatively charged electrons. Classical theory, however, predicted that this structure should be unstable. Classical theory had also failed to explain successfully two other experimental results that appeared in the late 19th century. One of these was the demonstration by Albert A. Michelson and Edward W. Morley—known as the Michelson–Morley experiment—which showed there did not seem to be a preferred frame of reference, at rest with respect to the hypothetical luminiferous ether, for describing electromagnetic phenomena. Studies of radiation and radioactive decay continued to be a preeminent focus for physical and chemical research through the 1930s, when the discovery of nuclear fission by Lise Meitner and Otto Frisch opened the way to the practical exploitation of what came to be called "atomic" energy.
Альберт Эйнштейннің салыстырмалылық теориясы
1905 жылы 26 жасар неміс физигі Альберт Эйнштейн (сол кезде Швейцарияның Берн қаласында патент кеңсесінде жұмыс істеген) бақылаушы мен бақыланатын нысан арасындағы қозғалыс уақыт пен кеңістік өлшемдеріне қалай әсер ететінін көрсетті. Эйнштейннің радикалды салыстырмалылық теориясы ғылымды революциялады. Эйнштейн ғылымға көптеген маңызды үлес қосса да, салыстырмалылық теориясы ғана барлық уақыттағы ең ұлы интеллектуалдық жетістіктердің бірін құрайды. Салыстырмалылық концепциясын Эйнштейн енгізбегенімен, ол вакуумдағы жарық жылдамдығы тұрақты екенін, яғни барлық бақылаушылар үшін бірдей және жылдамдыққа абсолюттік шек бар екенін анықтады. Бұл көбінесе адамның күнделікті өміріне әсер етпейді, себебі көптеген нысандар жарық жылдамдығынан өте төмен жылдамдықпен қозғалады. Дегенмен, жарық жылдамдығына жуық жылдамдықпен қозғалатын нысандар үшін салыстырмалылық теориясы олармен байланысты сағаттардың баяулап іске қосылатынын және Жердегі бақылаушының өлшемдері бойынша нысандардың ұзындығы қысқаратынын көрсетеді. Эйнштейн сонымен қатар масса мен энергияның эквиваленттігін көрсететін, 1=E = mc2 атақты теңдеуін туындырды.
In 1905, a 26 year old German physicist named Albert Einstein (then a patent clerk in Bern, Switzerland) showed how measurements of time and space are affected by motion between an observer and what is being observed. Einstein's radical theory of relativity revolutionized science. Although Einstein made many other important contributions to science, the theory of relativity alone represents one of the greatest intellectual achievements of all time. Although the concept of relativity was not introduced by Einstein, he recognised that the speed of light in vacuum is constant, i. e., the same for all observers, and an absolute upper limit to speed. This does not impact a person's day to day life since most objects travel at speeds much slower than light speed. For objects travelling near light speed, however, the theory of relativity shows that clocks associated with those objects will run more slowly and that the objects shorten in length according to measurements of an observer on Earth. Einstein also derived the famous equation, 1=E = mc2, which expresses the equivalence of mass and energy.
Арнайы салыстырмалылық теориясы
Эйнштейн тұжырымдады, жарық жылдамдығы барлық инерциялық санақ жүйелерінде тұрақты, ал электромагниттік заңдар санақ жүйесіне тәуелсіз болуы керек екенін – бұл физикалық теориядағы эфирді «артық» етіп көрсетті, сондай-ақ уақыт пен ұзындық өлшемдерінің бақылаушының өлшенетін нысанға қатысты қозғалысына байланысты өзгеретінін көрсетті («ерекше салыстырмалылық теориясы»). Сондай-ақ, масса мен энергияның E=mc² теңдеуіне сәйкес бір-бірімен алмасатын шамалар екендігі анықталды. Сол жылы жарияланған тағы бір мақаласында Эйнштейн электромагниттік сәулеленудің дискрет мөлшерде («кванттар») берілетінін мәлімдеді, бұл 1900 жылы теориялық физик Макс Планктың қара дене сәулеленуінің таралуының дәл теориясын алу үшін ұсынған тұрақтыға сәйкес келеді – бұл фотоэлектрлік эффектінің ерекше қасиеттерін түсіндіретін болжам. Ерекше салыстырмалылық теориясы – физикалық байқаулар мен кеңістік және уақыт ұғымдары арасындағы қатынастың тұжырымдамасы. Теория электромагнетизм мен Ньютон механикасы арасындағы қайшылықтардан туындады және осы екі салаға да зор әсер етті. Бастапқы тарихи мәселе – «эфир» және оған қатысты қозғалыс алып жүретін электромагниттік толқынды талқылаудың мәні бар ма, сондай-ақ мұндай қозғалысты анықтауға бола ма, бұл Микельсон-Морли тәжірибесінде сәтсіз аяқталды. Эйнштейн осы мәселелерді және эфир тұжырымдамасын ерекше салыстырмалылық теориясында жойды. Дегенмен, оның негізгі тұжырымдамасы электромагниттік теорияның егжей-тегжейін қамтымайды. Бұл сұрақ: «Уақыт деген не?» деген сұрақтан туындайды. Ньютон «Principia» (1686) еңбегінде нақты жауап берген: «Абсолюттік, нағыз және математикалық уақыт, өзінен және өз табиғатынан, сыртқы ештеңеге қатыссыз, теңдей ағып тұрады және басқаша атаумен ұзақтық деп аталады». Бұл анықтама барлық классикалық физиканың негізі болып табылады. Эйнштейн оны күдікке түсіріп, толық емес екенін анықтады. Оның орнына, әрбір «байқаушы» міндетті түрде өзінің уақыт шкаласын пайдаланады, ал екі бақылаушының салыстырмалы қозғалысында олардың уақыт шкалалары өзгеше болады. Бұл позициялық өлшемдерге де әсер етеді. Кеңістік және уақыт өзара байланысты ұғымдарға айналады, олар негізінен бақылаушыға байланысты. Әрбір бақылаушы өзінің кеңістік-уақыт аясын немесе координаттар жүйесін басқарады. Абсолютті санақ жүйесі болмағандықтан, берілген оқиғаларды бақылайтын барлық бақылаушылар әртүрлі, бірақ бірдей жарамды (және келісімді) өлшемдер жасайды. Эйнштейннің салыстырмалылық постулатында абсолютті болып қалатыны былай делінген: «Физиканың негізгі заңдары бір-біріне қатысты тұрақты жылдамдықпен қозғалатын екі бақылаушы үшін бірдей». Ерекше салыстырмалылық теориясы физикаға терең әсер етті: электромагнетизм теориясын қайта қараудан басталып, табиғаттың жаңа симметриялық заңын тапты, қазір Поанкаре симметриясы деп аталады, ол бұрынғы Галилей симметриясын алмастырды. Ерекше салыстырмалылық теориясы динамикаға да ұзақ мерзімді әсер етті. Бастапқыда «масса мен энергияның біріктірілуімен» байланысты болса, релятивистік динамика бөлшектің немесе бөлшектер жүйесінің инвариантты (бақылаушыға тәуелсіз) қасиеті болып табылатын тыныш массасы мен жүйенің энергиясы мен импульсі арасындағы нақты айырмашылықты орнатқаны анық болды. Соңғы екеуі барлық жағдайларда жеке сақталады, бірақ әртүрлі бақылаушылар үшін өзгермейді. Бөлшектер физикасындағы «масса» термині семантикалық өзгеріске ұшырады және 20 ғасырдың соңынан бері ол тек тыныш (немесе инвариантты) массаны білдіреді.
Einstein argued that the speed of light was a constant in all inertial reference frames and that electromagnetic laws should remain valid independent of reference frame—assertions which rendered the ether "superfluous" to physical theory, and that held that observations of time and length varied relative to how the observer was moving with respect to the object being measured (what came to be called the "special theory of relativity"). It also followed that mass and energy were interchangeable quantities according to the equation E=mc2. In another paper published the same year, Einstein asserted that electromagnetic radiation was transmitted in discrete quantities ("quanta"), according to a constant that the theoretical physicist Max Planck had posited in 1900 to arrive at an accurate theory for the distribution of blackbody radiation—an assumption that explained the strange properties of the photoelectric effect. The special theory of relativity is a formulation of the relationship between physical observations and the concepts of space and time. The theory arose out of contradictions between electromagnetism and Newtonian mechanics and had great impact on both those areas. The original historical issue was whether it was meaningful to discuss the electromagnetic wave carrying "ether" and motion relative to it and also whether one could detect such motion, as was unsuccessfully attempted in the Michelson–Morley experiment. Einstein demolished these questions and the ether concept in his special theory of relativity. However, his basic formulation does not involve detailed electromagnetic theory. It arises out of the question: "What is time?" Newton, in the Principia (1686), had given an unambiguous answer: "Absolute, true, and mathematical time, of itself, and from its own nature, flows equably without relation to anything external, and by another name is called duration." This definition is basic to all classical physics. Einstein had the genius to question it, and found that it was incomplete. Instead, each "observer" necessarily makes use of his or her own scale of time, and for two observers in relative motion, their time scales will differ. This induces a related effect on position measurements. Space and time become intertwined concepts, fundamentally dependent on the observer. Each observer presides over his or her own space time framework or coordinate system. There being no absolute frame of reference, all observers of given events make different but equally valid (and reconcilable) measurements. What remains absolute is stated in Einstein's relativity postulate: "The basic laws of physics are identical for two observers who have a constant relative velocity with respect to each other." Special relativity had a profound effect on physics: started as a rethinking of the theory of electromagnetism, it found a new symmetry law of nature, now called Poincaré symmetry, that replaced the old Galilean symmetry. Special relativity exerted another long lasting effect on dynamics. Although initially it was credited with the "unification of mass and energy", it became evident that relativistic dynamics established a firm distinction between rest mass, which is an invariant (observer independent) property of a particle or system of particles, and the energy and momentum of a system. The latter two are separately conserved in all situations but not invariant with respect to different observers. The term mass in particle physics underwent a semantic change, and since the late 20th century it almost exclusively denotes the rest (or invariant) mass.
Жалпы салыстырмалылық теориясы
1916 жылы Эйнштейн бұл теорияны одан әрі жалпылап, қозғалыс күйлерінің барлығын, тіпті біркелкі емес үдеуді де қамтитын деңгейге жеткізді, осылайша жалпы салыстырмалылық теориясы пайда болды. Бұл теорияда Эйнштейн кеңістіктегі кез келген нүктеде гравитациялық әсерді сипаттайтын кеңістік-уақыттың қисықтығы деген жаңа ұғымды енгізді. Шындығында, кеңістік-уақыттың қисықтығы Ньютонның әмбебап тартылыс заңының орнын толығымен басты. Эйнштейннің пікірінше, қалыпты жағдайдағы гравитациялық күш – кеңістіктің геометриясынан туындаған бір түрлі иллюзия. Массаның болуы массаның маңында кеңістік-уақыттың қисылуына себеп болады, ал осы қисықтық барлық еркін қозғалатын денелердің кеңістік-уақыт жолын анықтайды. Бұл теория бойынша жарық та гравитация әсеріне ұшырайды деп болжанды, және бұл тәжірибелермен расталды. Салыстырмалылық теориясының осы аспектісі жарықтың күннің маңынан иілу құбылысын түсіндірді, қара тесіктерді болжады, сондай-ақ Космикалық микротолқынды сәулеленудің қасиеттерін ашты – бұл классикалық тұрақты күй гипотезасындағы негізгі қателіктерді көрсеткен жаңалық болды. Эйнштейн 1921 жылы салыстырмалылық теориясы, фотоэлектрлік эффект және қара дене сәулеленуі жөніндегі еңбектері үшін Нобель сыйлығын алды. Эйнштейннің салыстырмалылық теориясын, жарық берудің кванттық табиғатын және Нильс Бордың атом моделін біртіндеп қабылдау физиканы жаңа, түбегейлі принциптерге қайта құруға бағытталған күшті күш-жігерге әкелді. 1910-шы жылдары салыстырмалылықты үдемелі айналымдық жүйелерге ("жалпы салыстырмалылық теориясы") кеңейте отырып, Эйнштейн үдеудің инерциялық күші мен гравитация күшінің теңдігін алға тартты, бұл кеңістіктің қисық және шекті өлшемді екендігіне, сондай-ақ гравитациялық линзалар және гравитациялық өрістерде уақыттың бұрмалануы сияқты құбылыстардың болжануына әкелді.
By 1916, Einstein was able to generalize this further, to deal with all states of motion including non uniform acceleration, which became the general theory of relativity. In this theory Einstein also specified a new concept, the curvature of space time, which described the gravitational effect at every point in space. In fact, the curvature of space time completely replaced Newton's universal law of gravitation. According to Einstein, gravitational force in the normal sense is a kind of illusion caused by the geometry of space. The presence of a mass causes a curvature of space time in the vicinity of the mass, and this curvature dictates the space time path that all freely moving objects must follow. It was also predicted from this theory that light should be subject to gravity all of which was verified experimentally. This aspect of relativity explained the phenomena of light bending around the sun, predicted black holes as well as properties of the Cosmic microwave background radiation — a discovery rendering fundamental anomalies in the classic Steady State hypothesis. For his work on relativity, the photoelectric effect and blackbody radiation, Einstein received the Nobel Prize in 1921. The gradual acceptance of Einstein's theories of relativity and the quantized nature of light transmission, and of Niels Bohr's model of the atom created as many problems as they solved, leading to a full scale effort to reestablish physics on new fundamental principles. Expanding relativity to cases of accelerating reference frames (the "general theory of relativity") in the 1910s, Einstein posited an equivalence between the inertial force of acceleration and the force of gravity, leading to the conclusion that space is curved and finite in size, and the prediction of such phenomena as gravitational lensing and the distortion of time in gravitational fields.
Кванттық механика
Релятивтік теория Микельсон мен Морлидің электромагниттік құбылыстар арасындағы қайшылықты шешкенімен, екінші теориялық мәселе қара денеден шығатын электромагниттік сәулеленудің таралуын түсіндіру болды; тәжірибе көрсеткендей, қысқа толқын ұзындығында, спектрдің ультракөк түсті бөлігіне қарай энергия нөлге жақындасады, бірақ классикалық теория оның шексіз болуы керек екенін болжады. Бұл айқын қайшылық, ультракөк апат деп аталады, кванттық механиканың жаңа теориясымен шешілді. Кванттық механика – атомдар мен атомдық емес жүйелердің теориясы. XX ғасырдың алғашқы 30 жылы теорияның қалыптасуы мен даму кезеңін білдіреді. Кванттық теорияның негізгі идеяларын 1900 жылы энергияның квантталған табиғатын ашқаны үшін 1918 жылы физика бойынша Нобель сыйлығын алған Макс Планк (1858–1947) енгізді. Кванттық теория (бұрын атомның квантталған әлемі мен «классикалық» әлемнің үздіксіздігі арасындағы ірі масштабтағы «сәйкестікке» сүйенген) Комптон эффектісі жарық импульсын алып жүретінін және бөлшектерді шашырата алатынын көрсеткен кезде қабылданды, ал Луи де Броль материяның электромагниттік толқындар сияқты бөлшектер ретінде әрекет ететінін (толқын-бөлшектік дуалдық) көрсетті. 1905 жылы Эйнштейн фотоэлектрлік эффектіні түсіндіру үшін кванттық теорияны қолданды, ал 1913 жылы дат физигі Нильс Бор сол тұрақтыны Резерфорд атомының тұрақтылығын, сондай-ақ сутегі газы шығаратын жарықтың жиілігін түсіндіру үшін пайдаланды. Атомның кванттық теориясы 1920 жылдары толыққанды кванттық механикаға жол ашты. 1925 жылы Вернер Гейзенберг, Макс Борн және Паскуаль Джордан матрицалық формада жаңа «кванттық» механиканың қағидаларын қалыптастырды, бұл «классикалық» механикадан өзгеше болды, олар дискретті «күйлер» арасындағы ықтималдық байланысқа негізделген және себеп-салдарлық байланыстың мүмкін еместігін жоққа шығарды. Кванттық механиканы Гейзенберг, Вольфганг Паули, Пол Дирак және Эрвин Шредингер кеңінен дамытты, олар 1926 жылы толқындарға негізделген эквивалентті теорияны құрды; бірақ Гейзенбергтің 1927 жылғы «нақтылық принципі» (орын мен импульсті бір мезгілде дәл өлшеудің мүмкін еместігін көрсетеді) және кванттық механиканың «Копенгагендік интерпретациясы» (Бордың туған қаласының атымен аталған) іргелі себеп-салдарлық байланыстың мүмкін еместігін жоққа шығаруды жалғастырды, бірақ Эйнштейн сияқты қарсыластар «Құдай ғаламмен ойын ойнамайды» деп метафоралық түрде мәлімдеді. Жаңа кванттық механика атомдық деңгейдегі құбылыстарды зерттеу мен түсіндіруде маңызды құралға айналды. 1920 жылдары үнді ғалымы Сатиендра Натх Боздың фотондар және кванттық механика бойынша жұмысы Боз-Эйнштейн статистикасының, Боз-Эйнштейн конденсатының теориясының негізін қалады. Спин-статистика теоремасы кванттық механикадағы кез келген бөлшектің бозон (статистикалық Боз-Эйнштейн) немесе фермион (статистикалық Ферми-Дирак) болатынын анықтады. Кейіннен барлық негізгі бозондар күштерді, мысалы, электромагнетизмді жеткізетін фотонды жеткізетіндігі анықталды. Фермиондар – «электрон және нуклондарға ұқсас» бөлшектер және материяның әдеттегі құрамдас бөліктері. Ферми-Дирак статистикасы кейіннен астрофизикадан (дегенерацияланған материяны қараңыз) жартылай өткізгіштерді жобалауға дейін көптеген басқа да қолданыстарды тапты.
Although relativity resolved the electromagnetic phenomena conflict demonstrated by Michelson and Morley, a second theoretical problem was the explanation of the distribution of electromagnetic radiation emitted by a black body; experiment showed that at shorter wavelengths, toward the ultraviolet end of the spectrum, the energy approached zero, but classical theory predicted it should become infinite. This glaring discrepancy, known as the ultraviolet catastrophe, was solved by the new theory of quantum mechanics. Quantum mechanics is the theory of atoms and subatomic systems. Approximately the first 30 years of the 20th century represent the time of the conception and evolution of the theory. The basic ideas of quantum theory were introduced in 1900 by Max Planck (1858–1947), who was awarded the Nobel Prize for Physics in 1918 for his discovery of the quantified nature of energy. The quantum theory (which previously relied in the "correspondence" at large scales between the quantized world of the atom and the continuities of the "classical" world) was accepted when the Compton Effect established that light carries momentum and can scatter off particles, and when Louis de Broglie asserted that matter can be seen as behaving as a wave in much the same way as electromagnetic waves behave like particles (wave–particle duality). In 1905, Einstein used the quantum theory to explain the photoelectric effect, and in 1913 the Danish physicist Niels Bohr used the same constant to explain the stability of Rutherford's atom as well as the frequencies of light emitted by hydrogen gas. The quantized theory of the atom gave way to a full scale quantum mechanics in the 1920s. New principles of a "quantum" rather than a "classical" mechanics, formulated in matrix form by Werner Heisenberg, Max Born, and Pascual Jordan in 1925, were based on the probabilistic relationship between discrete "states" and denied the possibility of causality. Quantum mechanics was extensively developed by Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac, and Erwin Schrödinger, who established an equivalent theory based on waves in 1926; but Heisenberg's 1927 "uncertainty principle" (indicating the impossibility of precisely and simultaneously measuring position and momentum) and the "Copenhagen interpretation" of quantum mechanics (named after Bohr's home city) continued to deny the possibility of fundamental causality, though opponents such as Einstein would metaphorically assert that "God does not play dice with the universe". The new quantum mechanics became an indispensable tool in the investigation and explanation of phenomena at the atomic level. Also in the 1920s, the Indian scientist Satyendra Nath Bose's work on photons and quantum mechanics provided the foundation for Bose–Einstein statistics, the theory of the Bose–Einstein condensate. The spin–statistics theorem established that any particle in quantum mechanics may be either a boson (statistically Bose–Einstein) or a fermion (statistically Fermi–Dirac). It was later found that all fundamental bosons transmit forces, such as the photon that transmits electromagnetism. Fermions are particles "like electrons and nucleons" and are the usual constituents of matter. Fermi–Dirac statistics later found numerous other uses, from astrophysics (see Degenerate matter) to semiconductor design.
Бірыңғай өріс теориясы
Эйнштейн табиғаттағы барлық негізгі өзара әрекеттесулерді бір теорияда түсіндіруге болатынын айтты. Біріккен өріс теориялары – бірнеше өзара әрекеттесуді біріктіруге жасалған көптеген тыраштандырулар болды. Мұндай теориялардың көптеген формулировкаларының бірі (сондай-ақ жалпы өріс теориялары) – өлшеу теориясы, симметрия идеясының кеңейтілген түрі. Соңында Стандартты модель (төменде қараңыз) күшті, әлсіз және электромагниттік өзара әрекеттесулерді біріктіруде сәттілікке жетті. Гравитацияны басқа күштермен біріктіруге жасалған барлық әрекеттер нәтижесіз аяқталды.
Einstein deemed that all fundamental interactions in nature can be explained in a single theory. Unified field theories were numerous attempts to "merge" several interactions. One of many formulations of such theories (as well as field theories in general) is a gauge theory, a generalization of the idea of symmetry. Eventually the Standard Model (see below) succeeded in unification of strong, weak, and electromagnetic interactions. All attempts to unify gravitation with something else failed.
Бөлшектер физикасы және Стандартты модель
Чиен Шиунг Ву өзінің эксперименті кезінде әлсіз өзара әрекеттесулерде паритетті бұзғанда, одан кейін бірқатар жаңалықтар ашылды. Бұл бөлшектердің шашырауы мен ыдырауы жаңа фундаментальды кванттық теорияларға кілт берді. Мюррей Гелл-Манн мен Юваль Неэман осы жаңа бөлшектерді белгілі бір қасиеттері бойынша жіктеп, оларды реттеуге көмектесті, бұл Гелл-Манн "Сегіз жол" деп атағаннан басталды. Оның одан әрі дамуы – кварк моделі, бастапқыда күшті ядролық күштерді сипаттауға жеткіліксіз болып көрінгендіктен, S матрицасы сияқты бәсекелес теориялардың уақытша дамуына әкелді. 1970-ші жылдары кванттық хромодинамиканың құрылуы фундаментальды және алмасу бөлшектерінің жиынтығын аяқтады, бұл өлшегіш инвариантты математикаға негізделген "стандартты модельді" құруға мүмкіндік берді. Бұл модель гравитациядан басқа барлық күштерді сәтті сипаттады және қолданыс аясында қалыпты қабылданды. Электрәлсіз өзара әрекеттесу теориясы мен кванттық хромодинамика SU(3) × SU(2) × U(1) гаузерлік тобымен белгіленетін құрылымға біріктірілді. Стандартты модельде электромагниттік және әлсіз өзара әрекеттесулердің бірігуін Әбдус Салам, Стивен Вайнберг және кейіннен Шелдон Глашоу жасады. Электрәлсіз теория кейіннен эксперименттік жолмен (нейтралды әлсіз токтарды байқау арқылы) расталды және 1979 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. 1970-ші жылдардан бері фундаментальды бөлшектер физикасы ерте ғаламның космологиясына, әсіресе Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясының салдары ретінде ұсынылған Ұлы жарылыс теориясына жаңа түсініктер берді. Алайда, 1990-шы жылдардан бастап астрономиялық байқаулар галактикалық тұрақтылықты ("қара материя") және ғаламның кеңеюінің үдеуін ("қара энергия") түсіндіру қажеттілігі сияқты жаңа қиындықтар тудырды. Үдеткіштер (акселераторлар) стандартты модельдің көптеген аспектілерін, әр түрлі соқтығысу энергияларында күтілетін бөлшектердің өзара әрекеттесуін анықтау арқылы растады. Бірақ жалпы салыстырмалылықты стандартты модельмен үйлестіретін теория әлі табылған жоқ, дегенмен көптеген теоретиктер суперсимметрия мен іс тізбегі теориясын (string theory) перспективті бағыт деп есептеді. Алайда, 2008 жылы іске қосылған Ұлы адрондық коллайдер суперсимметрия мен іс тізбегі теориясын қолдайтын ешқандай дәлел тапқан жоқ.
When parity was broken in weak interactions by Chien Shiung Wu in her experiment, a series of discoveries were created thereafter. The interaction of these particles by scattering and decay provided a key to new fundamental quantum theories. Murray Gell Mann and Yuval Ne'eman brought some order to these new particles by classifying them according to certain qualities, beginning with what Gell Mann referred to as the "Eightfold Way". While its further development, the quark model, at first seemed inadequate to describe strong nuclear forces, allowing the temporary rise of competing theories such as the S Matrix, the establishment of quantum chromodynamics in the 1970s finalized a set of fundamental and exchange particles, which allowed for the establishment of a "standard model" based on the mathematics of gauge invariance, which successfully described all forces except for gravitation, and which remains generally accepted within its domain of application. groups the electroweak interaction theory and quantum chromodynamics into a structure denoted by the gauge group SU(3)×SU(2)×U(1). The formulation of the unification of the electromagnetic and weak interactions in the standard model is due to Abdus Salam, Steven Weinberg and, subsequently, Sheldon Glashow. Electroweak theory was later confirmed experimentally (by observation of neutral weak currents), and distinguished by the 1979 Nobel Prize in Physics. Since the 1970s, fundamental particle physics has provided insights into early universe cosmology, particularly the Big Bang theory proposed as a consequence of Einstein's general theory of relativity. However, starting in the 1990s, astronomical observations have also provided new challenges, such as the need for new explanations of galactic stability ("dark matter") and the apparent acceleration in the expansion of the universe ("dark energy"). While accelerators have confirmed most aspects of the Standard Model by detecting expected particle interactions at various collision energies, no theory reconciling general relativity with the Standard Model has yet been found, although supersymmetry and string theory were believed by many theorists to be a promising avenue forward. The Large Hadron Collider, however, which began operating in 2008, has failed to find any evidence that is supportive of supersymmetry and string theory.
Космология
Космология 1915 жылы Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясын жариялаумен бірге маңызды зерттеу мәселесіне айналды деуге болады, бірақ ол "жалпы салыстырмалылықтың алтын ғасыры" деп аталатын кезеңге дейін ғылыми ағымға толыққандай енбеді. Шамамен он жыл өткен соң, "Ұлы тартыс" деп аталған кезеңде Хаббл мен Слайфер 1920 жылдары галактикалық тұмандықтардың Доплер спектрлерінің қызыл жылжуын өлшеу арқылы ғаламның кеңейіп жатқанын анықтады. Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясын қолданып, Леметр мен Гамов болашақта "Ұлы жарылыс теориясы" деп танылатын теорияны қалыптастырды. Оған қарсы, Хойл, Голд, Нарликар және Бонди "Тұрақты күй теориясы" деп аталатын балама теория ұсынды. Космикалық микротолқынды фондық сәулелену 1960 жылдары Пензиас пен Уилсон тарапынан расталды, бұл ашылу тұрақты күй сценарийінен гөрі Ұлы жарылыстың пайдасына болды. Кейінірек Smoot және басқалары (1989), сондай-ақ басқа да ғалымдар Космикалық фонды зерттеуші (CoBE) және Уилкинсон микротолқынды анизотропиялық зонды (WMAP) спутниктерінен алынған деректерді пайдаланып, осы бақылауларды жетілдірді. 1980 жылдары (COBE өлшемдерінің сол онжылдығында) Алан Гут инфляция теориясын ұсынды. Соңғы кезде қара материя және қара энергия мәселелері космологиялық зерттеулердің ең маңызды тақырыптарының біріне айналды.
Cosmology may be said to have become a serious research question with the publication of Einstein's General Theory of Relativity in 1915 although it did not enter the scientific mainstream until the period known as the "Golden age of general relativity". About a decade later, in the midst of what was dubbed the "Great Debate", Hubble and Slipher discovered the expansion of universe in the 1920s measuring the redshifts of Doppler spectra from galactic nebulae. Using Einstein's general relativity, Lemaître and Gamow formulated what would become known as the big bang theory. A rival, called the steady state theory, was devised by Hoyle, Gold, Narlikar and Bondi. Cosmic microwave background radiation was verified in the 1960s by Penzias and Wilson, and this discovery favoured the big bang at the expense of the steady state scenario. Later work was by Smoot et al. (1989), among other contributors, using data from the Cosmic Background explorer (CoBE) and the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) satellites that refined these observations. The 1980s (the same decade of the COBE measurements) also saw the proposal of inflation theory by Alan Guth. Recently the problems of dark matter and dark energy have risen to the top of the cosmology agenda.
Физикалық ғылымдар
19-ғасырда жетілдірілген талдау техникаларына қолжетімділік артып, олар кеңінен қолданыла бастаған кезде, физика қозғалыс пен энергияның жалпылама принциптерін және материяның негізгі сипатын іздеуден гөрі, осы техникалармен анықталды, тіпті одан да маңыздырақ болды. Акустика, геофизика, астрофизика, аэродинамика, плазма физикасы, төмен температуралық физика және қатты дене физикасы сияқты салалар оптика, сұйық динамикасы, электромагнетизм және механикамен қатар физикалық зерттеулердің салаларына қосылды. 20-ғасырда физика электртехника, ғарыш және материалдар инженериясы сияқты салалармен тығыз байланысты болды, сонымен қатар физиктер академиялық ортамен қатар мемлекеттік және өнеркәсіптік зертханаларда да жұмыс істей бастады. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін физиктердің саны күрт өсті және АҚШ-та шоғырланды, ал соңғы онжылдықтарда физика бұрынғы тарихындағы кез келген уақыттан да халықаралық ізденіс ретінде дами түсті.
With increased accessibility to and elaboration upon advanced analytical techniques in the 19th century, physics was defined as much, if not more, by those techniques than by the search for universal principles of motion and energy, and the fundamental nature of matter. Fields such as acoustics, geophysics, astrophysics, aerodynamics, plasma physics, low temperature physics, and solid state physics joined optics, fluid dynamics, electromagnetism, and mechanics as areas of physical research. In the 20th century, physics also became closely allied with such fields as electrical, aerospace and materials engineering, and physicists began to work in government and industrial laboratories as much as in academic settings. Following World War II, the population of physicists increased dramatically, and came to be centered on the United States, while, in more recent decades, physics has become a more international pursuit than at any time in its previous history.